Hybridgießen im Aluminium-Sandguss für Prototypen und Kleinserien

Transkript

1 1 Hybridgießen im Aluminium-Sandguss für Prototypen und Kleinserien Joachim Gundlach, Grunewald GmbH&Co.KG

2 Inhalt 2 Zielstellungen und Konzepte Verstärkung Multi Material und flexibler Leichtbau Modularer Karosserie Produktions-Baukasten (MKPB) Füge- und Anlageflächen Gussproduktion dünnwandiger Strukturteile Prozesskette Rapid Prototyping (RP) Gips Guss und Sandprinten Technische Vorgehensweise Hybridgießen Variostruct form- und kraftschlüssige Verbindungen stoffschlüssige Verbindungen Ausblick

3 Zielstellungen und Konzepte, Verstärkung 3 Verstärkung: Steigerung der mechanischen Eigenschaften, definierte Schraub- und Fügeverbindung Modelltechnik: Aufstecken auf Sandkern Toleranz +/- 0,2 mm Gießtechnik: keine Vorwärmung des Einlegers, rauhe Sandgussoberfläche gestrahlt, Standardgießtechnik Gießtemperatur: 760 C Zylinderkurbelgehäuse, Rohteil (Alsi9Cu3) mit eingegossener Verstärkung (GJL250) Niederdrucksandguss Bewertung des Verbundes der form-/kraftschlüssigen Verbindung: Analyse und Bewertung der Kontaktflächen in Schliffproben (Bestimmung einer Kontaktrate)

4 Zielstellungen und Konzepte, Variostruct 4 Variostruct (Imperia): Multi Material Leichtbau, Topologie-Optimierung mit verrippter, verstärkter Bauteilstruktur in Bereichen hoher Belastung (quasistatische und dynamische Lastfälle wie auch das Eigenschwingverhalten des Bauteils) Modelltechnik: flexibles Kunststoffmodell, Toleranz +/- 0,3 mm Gießtechnik: keine Vorwärmung des Einlegers, keine weitere Behandlung des Stahlbleches, aufwendige Gießtechnik im ND-Sandguss mit vielen Anschnitten und Speisern und kurzer Formfüllzeit Gießtemperatur: 760 C Bewertung des Verbundes der form-/kraftschlüssigen Verbindung: 3 Punkt Biegeprüfungen sowie Zugproben

5 Zielstellungen und Konzepte, flexibler Leichtbau 5 Verbundguss für Modularen Karosserie Produktions Baukasten (MKPB) oder anderer Verbundguss für den Multi Material Leichtbau, im Niederdrucksandguss, definierte Fügeverbindungen mit Kraft- und Formschluss Quelle: F&E Projekt im Rahmen des Förderprogramms KMU-Innovativ in Kooperation mit Imperia, LBBZ. Brökelmann, Grunewald, FH Aachen (2016)

6 Zielstellungen und Konzepte, Stoffschluss 6 Ziel: Entwicklung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Stahl und Aluminium Durchführung: Probe Geometrien mit beschichteten Stahleinlegern in verschiedenen Gießvarianten untersuchen

7 7 Prozesskette Rapid Prototyping (RP) Gips Guss und Sandprinten

8 RP Gipsfeinguss auf Basis von SLS-Modellen Seite 8 8 Hybridgießen: direktes Einformen von Blecheinlegern nicht möglich Positionierung über entsprechendes Polystyrolmodell Blecheinführung nach dem Brennprozess in geteiltes Formsystem Vorteil: Formtemperierung und damit Vorheizung des Blecheinlegers ist möglich

9 Sandprintformen 9 geprintete Sandform: 3D-Drucker VX1000, Phenolic-Direct-Binding (PDB)

10 Sandprintformen 10 Hybridgießen: direktes Mitprinten von Blecheinlegern nicht möglich Positionierung über entsprechende Hohlräume und Kernmarken Blecheinführung nach dem Printprozess in geteiltes Formsystem Formtemperierung und damit Vorheizung des Blecheinlegers ist nicht möglich

11 11 Technische Vorgehensweise Hybridgießen Variostruct form- und kraftschlüssige Verbindungen stoffschlüssige Verbindungen

12 Variostruct 12 Variostruct: Multi Material Leichtbau, Topologie-Optimierung mit verrippter, verstärkter Bauteilstruktur in Bereichen hoher Belastung (quasistatische und dynamische Lastfälle wie auch das Eigenschwingverhalten des Bauteils) Modelltechnik: flexibles Kunststoffmodell, Toleranz +/- 0,3 mm Gießtechnik: keine Vorwärmung des Einlegers, keine weitere Behandlung des Stahlbleches, aufwendige Gießtechnik im ND-Sandguss mit vielen Anschnitten und Speisern und kurzer Formfüllzeit Variostruct Dachquerträger (AlSi10Mg) mit eingegossenem Stahlblech Niederdrucksandguss Gießtemperatur: 760 C Bewertung des Verbundes der form- /kraftschlüssigen Verbindung: 3 Punkt Biegeprüfungen sowie Zugproben

13 Prototypenfertigung, flexibler Leichtbau 13 Quelle: F&E Projekt im Rahmen des Förderprogramms KMU-Innovativ in Kooperation mit Imperia, LBBZ. Brökelmann, Grunewald, FH Aachen (2016)

14 Prototyp 1 14 komplexe Kerngeometrie Positionierung der Profile durch den Kern Schwierigkeit: Komplizierter Kern und Maßhaltigkeit der Profile Herausforderungen: eingegossene Profile haben abschreckende Wirkung auf die Schmelze Alu-Strangpressprofil darf durch den Gussprozess nicht aufgeschmolzen werden sehr schwierige Entformung durch komplizierten Kern und komplizierte Rippenstruktur der Profile Ausbrennen des Kerns durch nicht zulässige thermische Belastung des Verbundes nicht möglich

15 Prototypenfertigung, flexibler Leichtbau 15 Steck-/Klebeverbindungen vorgegossener Steckflansch vorgegossener Klebespalt eingegossene Verstärkungsrippe eingegossene Endanschläge Allgemeine Toleranz +/-0,3 (dimensionsabhängig) Wandstärkentoleranz > 2mm (+0,4mm/- 0,2mm) Schweißverbindungen vorgegossener Alumimiumflansch Wandstärkentoleranz > 2mm (+0,4mm/- 0,2mm) allgemeine Toleranz +/-0,3 (dimensionsabhängig) eingeossenes Stahlblech allgemeine Toleranz +/-0,3 Gussknoten, Niederdrucksandguss, AlSi7Mg T6

16 stoffschlüssige Verbindungen 16 Ziel: Entwicklung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Stahl und Aluminium (Intermetallische Phase IMP im System Fe-Al) Durchführung: Probe Geometrien mit AlSi-beschichteten (PVD) Stahleinlegern in verschiedenen Gießvarianten untersuchen

17 stoffschlüssige Verbindungen 17 Schwerkraftgipsfeinguss Beschichtung 3 größtenteils zusammenhängende Verbindung eine Scherzugfestigkeit von bis zu 30 MPa ist erreichbar Schwindungsrisse am Rand der Proben Al-Guss IMP Stahl Gesamtspannung Teilspannung Rm Rm N/mm² N/mm² 7,688 12,937

18 18 Ausblick

19 19 Erwärmung Bauteil im ND-Sandguss durch induktive Erwärmung Positionierung und Fixierung des Induktors Oberkasten Sand 10mm Hohlraum wird abgeformt und dann vor dem Abguss mit Wärmeisolierung gefüllt Formteilung Sand Unterkasten Abgeformter Hohlraum späterer Aluminiumguss Gießsystem

20 Selbstaushärtende Gießwerkstoffe für den Hybridguss ohne Wärmebehandlung 20 AlMg5 (51300) mechanische Eigenschaften

21 21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit. Grunewald GmbH & Co. KG Dr. Joachim Gundlach Biemenhorster Weg 19 D Bocholt Phone Internet