Aluminium auf Aluminium: Der lange Weg zum stoffschlüssigen Verbund im Druckguss

Ziel des Projekts ist es, Aluminiumbleche oder -profile direkt im Druckgussprozess stoffschlüssig mit Gussstrukturen zu verbinden. „Der Ansatz ist nicht neu – aber es gibt bis heute keinen serienfähigen Prozess für Aluminium-Aluminium-Verbindungen im Druckguss“, erklärt Projektleiter Christoph Pille vom Fraunhofer IFAM. Gleichzeitig sieht er weiterhin Potenzial: „Das stoffschlüssige Verbundgießen wurde vielerorts schon als unmöglich abgestempelt. Wir sehen das anders – und der Bedarf ist unverändert da. Deshalb gehen wir das Thema noch einmal gezielt an und suchen nach neuen Ansätzen.“

Oxidschicht wirkt als Sperrschicht

Der Stand der Technik ist klar: Formschlüssige Verbindungen lassen sich im Druckguss etablieren, etwa durch mechanisches Verklammern oder gezielte Oberflächenrauigkeit. Ein echter stoffschlüssiger Verbund – also eine metallische Verbindung ohne Trennschicht – bleibt dagegen die Ausnahme. Der zentrale Grund liegt im Werkstoff selbst: Aluminium bildet unmittelbar eine Oxidschicht, die als stabile Sperrschicht wirkt und den Kontakt zwischen Schmelze und Blech verhindert.

Das Fraunhofer-Team verfolgt deshalb einen Ansatz, der Werkstoff, Oberfläche und Prozess gemeinsam adressiert. Im Fokus stehen zwei technologische Routen: Zum einen wird die Oxidschicht gezielt entfernt und anschließend die Oberfläche durch temporäre Schutzschichten vor erneuter Oxidation bewahrt. Zum anderen werden metallische Zwischenschichten untersucht, die als verbindungsbildende Phase wirken können. Ziel ist es, während des Gießens eine möglichst reaktive Aluminiumoberfläche bereitzustellen, an der sich ein gemeinsames Gefüge zwischen Gussteil und Blech ausbilden kann.

Sensibles Zusammenspiel

Neben der Oberfläche spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle. Das Blech muss lokal so stark erwärmt werden, dass es in den Bereich seiner Solidustemperatur gelangt und damit diffusionsfähig wird. Gleichzeitig müssen Blech und Schmelze gemeinsam so erstarren, dass Spannungen in der Verbundzone vermieden werden. Die bisher durchgeführten Versuche zeigen, wie sensibel dieses Zusammenspiel ist: Bereits die Einbausituation des Blechs im Werkzeug – ob einseitig angegossen oder vollständig umgossen – beeinflusst die Temperaturverteilung und damit die Verbindungsbildung maßgeblich.

Erste Ergebnisse zeigen, dass belastbare stoffschlüssige Übergänge grundsätzlich erreichbar sind. Metallographische Untersuchungen belegen Zonen, in denen Guss und Blech ohne erkennbare Trennlinie ineinander übergehen. Gleichzeitig wird deutlich, dass diese Verbindung bislang nicht flächig entsteht. Stattdessen bilden sich lokale Kontaktbereiche, die sich mechanisch noch wie eine „Perforation“ verhalten – mit entsprechend begrenzter Festigkeit.

Wärmebehandelte Bleche verlieren an Festigkeit

Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die Werkstoffwahl. Bleche der 5xxx-Serie behalten ihre Eigenschaften im Prozess weitgehend bei, während wärmebehandelte 6xxx-Legierungen durch die thermische Belastung deutlich an Festigkeit verlieren. In Versuchen führte dies dazu, dass nicht die Verbindung versagte, sondern das Blech selbst – allerdings bei deutlich reduzierten Festigkeitswerten. „Wir greifen mit dem Prozess massiv in die Werkstoffeigenschaften ein – das muss berücksichtigt werden“, ordnet Pille ein.

Die erreichten Verbundfestigkeiten liegen aktuell noch unter denen von klassischen Klebeverbindungen. Gleichzeitig zeigen die Ergebnisse, dass das Potenzial größer ist, als die gemessenen Werte vermuten lassen: Die Verbindung entsteht bereits heute lokal sehr stabil – die Herausforderung besteht darin, diese Bereiche auszudehnen.

Technologie mit Potenzial

Vor diesem Hintergrund ist fusionCASTING kein fertiges Verfahren, sondern ein systemischer Ansatz. Er verschiebt den Fokus von der reinen Prozessführung hin zum Zusammenspiel von Oberfläche, Temperatur und Legierung. Genau darin liegt auch das Potenzial: Gelingt es, diese Parameter zu beherrschen, könnten künftig hybride Strukturen entstehen, die die Vorteile von Guss und Blech in einem Prozess vereinen.

Welche offenen Fragen dabei im Mittelpunkt stehen und welche nächsten Schritte das Projekt vorsieht, erläutert Christoph Pille im folgenden Gespräch. 

Sie führen das unter anderem auf die Temperaturverteilung zurück. Welche Rolle spielt die Prozessführung konkret?

Christoph Pille: Eine sehr große. Wir sehen beispielsweise beim Angießen, dass das Blech zum Teil über das Werkzeug gekühlt wird und wir dadurch nicht überall die notwendige Temperatur erreichen. Da, wo das Blech entfernt ist vom Werkzeug, funktioniert die Verbindung besser, weil dort mehr thermische Energie zur Verfügung steht. Im Bereich nahe zum Werkzeug ist die Temperaturabfuhr schon zu hoch und die Energie reicht nicht mehr aus. Beim Umgießen des Blechs erwarten wir genau deshalb bessere Ergebnisse, weil wir das Blech von zwei Seiten umgießen, somit mehr Temperatur einwirkt und wir dadurch ein homogeneres Temperaturfeld erzeugen. Das ist im Moment eine unserer zentralen Hypothesen, die wir gerade experimentell überprüfen.

Neben dem Prozess spielt auch die Werkstoffwahl eine zentrale Rolle. Was haben Sie hier gelernt?

Christoph Pille: Das war tatsächlich eine der wichtigsten Erkenntnisse. Bei den 6xxx-Legierungen haben wir gesehen, dass nicht die Verbindung das Problem ist, sondern das Blech selbst. Durch die Temperaturen im Gießprozess verlieren diese wärmebehandelten Bleche ihre Festigkeit. Das bedeutet: Auch wenn die Verbindung gut ist, versagt das System an anderer Stelle. Für Anwendungen, bei denen mechanische Belastbarkeit entscheidend ist, sind diese Legierungen daher aktuell ohne nachträgliche Wärmebehandlung nicht geeignet – und genau diesen Prozessschritt möchte man aus Nachhaltigkeitsgründen vermeiden. Naturharte 5xxx-Bleche verhalten sich hier deutlich robuster.

Die erreichten Festigkeiten liegen noch unter klassischen Klebverbindungen. Wie ordnen Sie das ein?

Christoph Pille: Man muss das differenziert betrachten. Wenn wir unsere Ergebnisse auf die tatsächlich verbundene Fläche beziehen, sind wir näher an den Zielwerten, als es auf den ersten Blick scheint. Unser Ziel für die Zugscherfestigkeit liegt im Bereich von etwa 10 bis 30 Megapascal, weil wir mit klassischen Überlappverbindungen im Karosseriebau konkurrieren – dort kommt in der Regel Konstruktionsklebstoff zum Einsatz, der typischerweise 20 Megapascal Zugscherfestigkeit erreicht. In diesen Bereich wollen wir ebenfalls kommen.

Was sind die nächsten Schritte im Projekt?

Christoph Pille: Wir arbeiten aktuell an drei Themen parallel. Erstens wollen wir die Oberflächenvorbehandlung weiter optimieren, insbesondere die Frage, wie stabil diese Zustände über Zeit sind. Zweitens untersuchen wir die Temperaturführung genauer, vor allem im Umguss. Und drittens versuchen wir, den Prozess insgesamt besser zu verstehen: Warum funktioniert die Verbindung an manchen Stellen sehr gut und an anderen nicht? Daraus leiten wir dann gezielt Maßnahmen ab. Unser Ziel ist es, das System so weit zu stabilisieren, dass wir reproduzierbar eine flächige Verbindung erreichen.

Vielen Dank für das Gespräch!