Das Druckgießen im Spannungsfeld zunehmender Anforderungen an die Gussteile und dem Streben nach Optimierung des Prozesses

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1 Das Druckgießen im Spannungsfeld zunehmender Anforderungen an die Gussteile und dem Streben nach Optimierung des Prozesses Autorenkollektiv Vortrag: Prof. E. Ambos 1

2 Gliederung: Einleitung Beispiele für die aufgezeigten Entwicklungstendenzen Vorstellung eines bemerkenswerten Beispiels der Funktionsintegration Auswirkungen der konstruktiven Maßnahmen auf die Gießtechnologie Technische Lösungen für Hightech-Druckguss Vakuumdruckgießen Nutzung schneller Computertomographen Zusammenfassung und Ausblick Autorenkollektiv Vortrag: Prof. E. Ambos 2

3 Anforderungen an Druckgussteile: Weitere konsequente Bemühungen um den Leichtbau, um den Kraftstoffverbrauch systematisch senken und die Umweltbelastung ständig weiter verringern zu können. 3

4 Detaillierte Entwicklungstendenzen: o Höhere Festigkeiten der Bauteile minimaler Werkstoffeinsatz. o Weitgehende Freiheit von inneren Fehlern hohe Lebensdauer. o Realisierung von Integralteilen Verringerung von Fügearbeiten. o Größeres Oberflächen/Volumen-Verhältnis der Teile höhere Anforderungen an den Wärmehaushalt der Druckgießform. o Die Abmessungen der Integralteile sind in der Regel gegenüber den Einzelteilen deutlich größer größere Druckgießformen und längere Fließwege des flüssigen Metalls. o Fertigung der Druckgussteile zu den niedrigsten möglichen Kosten internationale Wettbewerbsfähigkeit. 4

5 Beispiele für die Entwicklungstendenzen ZB Federbeintopf in Stahl: 12 Teile Gewicht: 7,40 kg Federbeintopf in Aluminium: 1 Teil Gewicht: 4,30 kg Quelle: Segaud, J. M.; GIESSEREI-RUNDSCHAU, Wien 60(2013)H.9/10, S

6 Beispiele für die Entwicklungstendenzen ZB Längsträger in Stahl: 12 Teile Gewicht: 15,50 kg Längsträger in Aluminium: 1 Teil Gewicht: 9,80 kg Quelle: Segaud, J. M.; GIESSEREI-RUNDSCHAU, Wien 60(2013)H.9/10, S

7 Beispiele für die Entwicklungstendenzen Tragstruktur Instrumententafel Federbeinstützen Seitenteile hinten Quelle: Fent, A.; Lang, H. und Tremmel, M. Tagung Gießtechnik im Motorenbau MD

8 Bemerkenswertes Beispiel für Funktionsintegration Halter Nebenaggregate - AUDI 8

9 Bemerkenswertes Beispiel für Funktionsintegration 9

10 Bemerkenswertes Beispiel für Funktionsintegration g 10

11 Auswirkungen der Integration auf die Gießtechnologie Veränderte Wandstärken bei der älteren(links) und der aktuellen Ausführung des Bauteils 11

12 Technische Lösungen für Hightech-Druckguss Tabelle 1. Technologische Schwierigkeiten bei Druckgussteilen und geeignete Lösungswege zur Vermeidung Technologische Schwierigkeit Großes Luft- und Gasvolumen im Formhohlraum Lösungsweg Evakuierung der Hohlräume einer Druckgießeinrichtung: Mehrstufen-Vakuum, Einsatz von Ventilen unterschiedlichster Konstruktion und Wirkungsweise. Verwendung gering gasender Formtrennund Kolbenschmiermittel, Optimierung der Sprüheinrichtung, Restfeuchte-Messung in der Form, Minimalmengen-Sprühen. Neue Prüfmethode für das Erkennen von Ungänzen in den Druckgussteilen: Schnelle Computer-Tomographen. 12

13 Technische Lösungen für Hightech-Druckguss Technologische Schwierigkeit Lösungsweg Partielle Wanddickenvergrößerungen Einsatz von Jet-Cooling-Kernen, Verwendung von Formteilen aus Refraktärmetallen, Nutzung von Wärmeleitrohren, partielles Squeezen. Hoher Gasgehalt in der Schmelze Behandlung der Schmelze mit leistungsfähigen Impellern und speziellen Reinigungssalzen. Verringerung des technologischen Toleranzfeldes der integrierten Gussteile Temperatur-Regeleinrichtungen der Druckgießformen für unterschiedliche Wärmeträgermedien. Elektronische Erfassung der wichtigsten Gießparameter und deren Beeinflussung, Codierung jedes Gussteils und Auswertung der Ergebnisse mittels Datamining. 13

14 Technische Lösungen für Hightech-Druckguss Technologische Schwierigkeit Komplexität der Integralbauteile bedingt eine komplizierte Bauteilgeometrie Lösungsweg Intensive und frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Bauteilkonstrukteur und Bauteilfertigern (Gießerei, Formenbau, Bearbeitungsbetrieb). Erreichung höchster Festigkeitswerte bei geringstem Bauteilgewicht Neue Berechnungsmethoden der Festigkeit von Bauteilen unter Berücksichtigung der Fehlerausprägung in den Teilen. Verwendung von höher festen, aber preiswerten Sekundärlegierungen. 14

15 Effekte aus dem Vakuum-Druckguss Teil mit Evakuierung der Form Teil ohne Evakuierung der Form 15

16 Vakuumdruckgießen - Entlüftungssysteme Beschreibung/ Kurzcharakteristik und bildliche Darstellung Bezeichnung Vacural-Verfahren Dosieren mittels Vakuum. Besonders geeignet für das Vergießen mechanisch hochbeanspruchter Bauteile. In Verbindung mit Chill- Körpern gute Evakuierungsergebnisse. Evakuierung über Chill-Körper (Waschbrett) Gase aus der Füllkammer und dem Formhohlraum werden über selbstschließendes Ventil in Vakuumspeicher gesaugt. Vakuumpumpe kann zentral oder Dezentrale angeordnet sein. 16

17 Vakuumdruckgießen Evakuierung über Chillkörper und Absaugung der Füllkammer Zusätzlich zu einem Chillkörper werden die Gase aus der Füllkammer über eine zweite Leitung in den Vakuumspeicher abgesaugt. Zweistufen-Evakuierung über Chillkörper und zusätzliche Absaugung der Füllkammer über gesonderten Vakuumspeicher Die Evakuierung von Formhohlraum und Füllkammer wird durch einen zusätzlichen Vakuumspeicher für die Absaugung der Füllkammer unterstützt. 17

18 Tabelle 2.2 Ventile zur Evakuierung des Formhohlraumes Vakuumdruckgießen - Ventile Weg- oder zeitabhängig gesteuerte Ventile bzw. durch die dynamische Wirkung des einströmenden Flüssigmetalls ausgelöste Ventile Chill-Körper oder Waschbrett-Ventil Ventile mit guter Absaugwirkung, da sie ein ungehindertes Absaugen der Gase bis zum Schließen des Ventils gestatten. Durch Verschmutzung der Ventile im Gießbetrieb leider oft Unterbrechungen des laufenden Produktionsprozesses. Eventuell in Kombination mit Chill-Körpern. Als offenes Entlüftungssystem bezeichnet: Die Entlüftungsleistung des Ventils wird vorwiegend durch die Spaltgröße zwischen den Ventilhälften und die Ventilbreite bestimmt. Eventuell in Kombination mit einem weg- oder zeitgesteuertem Ventil. 18

19 Vakuumdruckgießen - Neuestes Ventil Bewegliches Waschbrett als KINVAC bezeichnet Als Patent vorgeschlagenes und noch in Erprobung befindliches Ventil. Ventil mit veränderlichem Querschnitt: Zu Beginn großer Querschnitt. Dieser wird durch den Impuls des einströmenden Metalls bis zum Schließen verringert. 19

20 Vakuumdruckgießen - Neuestes Ventil 20

21 Vakuumdruckgießen - Fazit - Es gibt zahlreiche Entlüftungssysteme und Ventilvarianten. -Es fehlt eine neutrale, technische und wirtschaftliche Aspekte berücksichtigende Bewertung der möglichen Kombinationen. Dies wird vor allem von kleineren Firmen als erhebliches Defizit betrachtet. Vorschlag für einen Lösungsweg: Neutrale Partner z.b. IfG, ÖGI oder ein Hochschulinstitut sollten die Nutzungsbedingungen der einzelnen Varianten untersuchen und die Ergebnisse den Unternehmen zur Verfügung stellen. 21

22 Schnelle Computertomographen In zahlreichen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass - mit den schnellen CT nicht nur unvermeidliche Poren in den Druckgussteilen exakt hinsichtlich ihres Volumens, ihrer Größe und ihrer Lage erfasst werden können, sondern - der schnelle CT bietet auch die Möglichkeit in hervorragender Weise den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter auf die Qualitätsmerkmale zu erfassen. 22

23 Schnelle Computertomographen 23

24 Beispiel der Nutzung des schnellen CT Halter Nebenaggregate Regions of Interest

25 Beispiel der Nutzung des schnellen CT Durchschnittliche Porositätswerte Fertigungsvarianten Porosität Gesamtteil [%] Porosität ROI 1 [%] Porosität ROI 2 [%] Porosität ROI 3 [%] Versuchsreihe 1 0,0909 0,1953 0,0298 0,0554 Versuchsreihe 2 A 0,0847 0,1793 0,0298 0,0444 Versuchsreihe 2 B 0,1075 0,1587 0,0385 0,1965 Versuchsreihe 3 0,1147 0,1645 0,0438 0,2105 Maximalwerte rot, Minimalwerte grün. Porositätswerte ROI jeweils auf das zugehörige 3 Volumen bezogen. 25

26 Beispiel der Nutzung des schnellen CT Porosität von Versuchsteilen aus der Versuchsserie 1. Große Unterschiede bei gleicher Einstellung der Prozessparameter 3 26

27 Versuchsreihe 1. Teil 1.09 Minimale Porosität: 0,0197 % 3 27

28 Versuchsreihe 1. Teil 1.03 Höchste Porosität : 0,1954 % 3 28

29 Wesentliches Anliegen der Datenanalyse: Suche nach monokausalen oder polykausalen Zusammenhängen zwischen den Prozessparametern und der Größe der Porosität. Ergebnis: Aus den zahlreichen Untersuchungen konnte nur bedingt ein monokausaler Zusammenhang zwischen einer Prozessgröße und der Größe der Porosität/Teil abgeleitet werden. Bei der Untersuchung des bikausalen Zusammenhanges (Gießkolbengeschwindigkeit und Kavitätstemperatur) konnte dagegen 3 eine deutliche Korrelation ermittelt werden. 29

30 Gießzeit [s] Beispiel für nicht erkennbaren Zusammenhang von Einflussfaktoren und Porosität 3,8 3,75 3,7 3,65 Porosität > 0,05 % Porosität > 0,15 % Porosität > 0,1 % 3,6 3, Formtemperatur [ C] Versuchsserie 2B. Gesamtporosität über 3 Gießzeit und Formtemperatur 30

31 Formtemperatur [ C] Beispiel für eine geringe Korrelation zwischen Einflussparametern und der Porosität Datenreihen1 Linear (Datenreihen1) ca. 12 % Korrelationskoeffizient ,05 0,1 0,15 0,2 Porosität [%] 31

32 Gießkolben-v in m/s Versuchsreihe 1. Werte von Gießkolbengeschwindigkeit und Porosität 4,7 4,65 4,6 4,55 4,5 4,45 4,4 Datenreihen1 Linear (Datenreihen1) 4,35 4,3 4,25 3 4,2 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Porosität in % Korrelationskoeffizient = - 0, % 32

33 Gießkolben-v [m/s] Versuchsreihe 1. Einfluss der Prozessparameter: Bei Werten der Gießkolbengeschwindigkeit < 4,45 m/s tritt verstärkt Porosität > 0,15 %/Teil auf. 3 4,65 4,6 4,55 4,5 4,45 4,4 4,35 4,3 4,25 4, Kavitätstemperatur [ C] Porosität > 0,05 % Porosität > 0,15 % Porosität > 0,1 % 33

34 Zusammenfassung und Ausblick - Das Streben der Automobilindustrie nach weiter sinkendem Kraftstoffverbrauch und geringerem Ausstoß an Abgasen trägt zur breiten Einführung des Leichtbaus bei. - Als bestimmender Weg gilt die Integration von Funktionen und damit die Verringerung der Zahl der zu fügenden Teile und deren Gewicht. - Dies führt dazu, dass die Bauteile aus gießtechnologischer Sicht schwieriger werden. - Es sind deshalb viele Maßnahmen zur Überwindung der Schwierigkeiten zu erproben und anzuwenden. - Eine erfolgreiche Entwicklung und Fertigung anspruchsvoller Druckgussteile erfordert den Einsatz der neuesten technischen Lösungen. - Aus den Ergebnissen leiten sich zahlreiche Fragestellungen und neue Aufgaben ab, die im Rahmen der Forschung konsequent untersucht werden. 3 34

35 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. 3 35

36 Autoren: Prof. Eberhard Ambos Dipl.-Ing. Damian Banasik Dr. Markus Ratka Dipl.-Ing. Ulrich Anders Dipl.-Ing. Wolfgang Besser OvG-Universität Magdeburg AUDI Ingolstadt PRESSMETALL GUNZENHAUSEN PRESSMETALL HOYM DRUCKGUSS HEIDENAU Dank an die Herren Dipl.-Ing. Hans-Uwe Matzen Dipl.-Phys. Christof Reinhart General Electric Ahrensburg und Volume Graphics Heidelberg für die hervorragende Unterstützung bei der Auswertung der Versuchsergebnisse. 3 36