Geschrieben von Editors EUROGUSS 365
Damian Föllmi: Am Anfang steht der konventionelle Druckgießprozess. Zuerst drücken wir die flüssige Aluminiumschmelze in die Werkzeugkavität, danach erstarrt das Bauteil von der Randschicht nach innen. Während die äußeren Bereiche schon eine tragfähige Randschale bilden, bleibt im vorgesehenen Kanalbereich noch flüssige oder zumindest fließfähige Schmelze.
Jetzt beginnt die eigentliche Gasinjektion. Zu einem genau definierten Zeitpunkt sticht der Gasinjektor durch die bereits erstarrte Randschale und erhält so Zugang zur noch flüssigen Schmelze im Inneren. Gleichzeitig öffnet ein Sperrschieber eine bis dahin geschlossene, leere Nebenkavität. Anschließend drückt der Stickstoff aus dem Gasinjektor die flüssige Schmelze aus dem Kanalbereich in diese Nebenkavität. Diesen Vorgang nennen wir auch das Ausblasen der Schmelze. Entlang des durch die Bauteilgeometrie vorgegebenen Pfades entsteht dabei der Hohlkanal. Danach erstarrt das Bauteil vollständig, woraufhin man es entformen und das verdrängte Restmaterial aus der Nebenkavität abtrennen kann.
Für eine hohe Reproduzierbarkeit kommt es vor allem auf die Geometrien an, also auf das Bauteil selbst, den Gasinjektionskanal und die Nebenkavität. Wichtig ist jedoch auch der Injektionszeitpunkt im Zusammenspiel mit der gesteuerten Öffnung der Nebenkavität. Darüber hinaus beeinflussen Gasdruck, Gasmenge beziehungsweise Druckverlauf, Werkzeugtemperatur und der Erstarrungszustand der Schmelze maßgeblich die Prozessstabilität.
Damian Föllmi: Die Grundidee stammt aus dem Kunststoffspritzguss, wo die Gasinnendrucktechnik seit Langem etabliert ist. Die Hochschule Aalen und TiK haben diesen Ansatz aufgegriffen und in den Druckguss überführt. Die eigentliche Herausforderung lag darin, das Prinzip auf metallische Schmelzen zu übertragen. Im Aluminiumdruckguss herrschen deutlich höhere Temperaturen als im Kunststoffspritzguss, dazu kommen sehr kurze Prozesszeiten, hohe Drücke, eine rasch fortschreitende Erstarrung und insgesamt eine rauere Produktionsumgebung.
Für den Weg zur Serienreife mussten wir deshalb an mehreren Punkten gleichzeitig ansetzen. Wir brauchten zuverlässige sowie langlebige Anlagen- und Werkzeugkomponenten, dazu passende Bauteil- und Werkzeuggeometrien sowie stabile Prozessparameter, damit Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit stimmen. Am wichtigsten war die Auslegung von Bauteil und Werkzeug. Wir haben schnell gemerkt, dass sich die Technologie nicht einfach in ein bestehendes Bauteil einbauen lässt. Man muss das Bauteil gezielt für die Gasinjektion entwickeln, und auch Werkzeuggeometrie und Werkzeugtemperierung gehören von Anfang an dazu. Erst wenn alle Einflussgrößen konsequent aufeinander abgestimmt sind, entstehen reproduzierbare Bauteile in der geforderten Qualität. Heute haben wir das Verfahren an Demonstrator- und Prototypbauteilen validiert, es ist grundsätzlich serienreif. Der nächste entscheidende Schritt ist die Umsetzung in einem konkreten Kundenprojekt.
Die Anlagentechnik sowie spezielle Werkzeugkomponenten hat übrigens die Firma TiK, also Technologie in Kunststoff, im Rahmen des EU-geförderten Projekts MAGIT entwickelt. MAGIT steht für Magnesium und Aluminium Gas-Injektions-Technologie und ist auch der Name, unter dem TiK die Technologie heute vertreibt. Beteiligt an dem Projekt war ein europäisches Konsortium aus der Hochschule Aalen, TiK, Surtechno und uns, also ALUWAG.
Damian Föllmi: Das Gasinjektionsverfahren eignet sich für Druckgussteile, in die man nicht entformbare Hohlkanäle direkt integrieren möchte. Vor allem medienführende Kanäle sind ein zentrales Anwendungsfeld, zum Beispiel integrierte Kühl- oder Ölkanäle in Gehäusen für die Leistungselektronik, aber auch in Komponenten von Elektromotoren und Getrieben sowie möglicherweise in Batterie- oder Thermomanagementbauteilen. Ein weiterer Einsatzbereich ist die gezielte Verwendung von Hohlräumen zur Gewichtsreduktion. So lassen sich auch dickwandige Bauteilbereiche funktionsgerecht auslegen, ohne das gesamte Volumen massiv ausgießen zu müssen.
Im Allgemeinen liegt der wesentliche Vorteil in der Funktionsintegration. Baugruppen, die bisher aus einem Gussteil, einem Deckel, Dichtungen und Verbindungselementen bestehen, können wir unter bestimmten Voraussetzungen durch ein einziges Druckgussteil ersetzen. Damit entfallen Bearbeitungs-, Füge-, Dicht- und Montageprozesse. Gleichzeitig ermöglicht das Verfahren Hohlkanäle mit Umlenkungen, die sich mit konventionellen Schiebern und Kernstiften im Druckgusswerkzeug gar nicht entformen lassen.
Damian Föllmi: Richtig interessant wird es wirtschaftlich, wenn wir bisher montierte oder gefügte Baugruppen durch die Gasinjektion ersetzen können. Zum Beispiel bei einem Gussteil, dessen Kühlkanal bisher über ein rührreibgeschweißtes Blech entsteht. Hier erwarten wir über den gesamten Lebenszyklus einen Kostenvorteil von etwa 15 bis 20 Prozent, die Werkzeugamortisation eingerechnet.
Damian Föllmi: Wir haben bereits mehrere verschiedene Hohlraumgeometrien umgesetzt und gefertigt, die sich alle in Länge, Querschnitt, Querschnittsverlauf und ihren Umlenkungen unterscheiden. Grundsätzlich erreichen wir Kanallängen von bis zu 2,5 Metern. Noch längere Kanäle haben wir bisher nicht untersucht.
Die Querschnitte führen wir idealerweise rund aus, ovale oder flache Geometrien sind aber ebenfalls möglich. Sehr gute Ergebnisse haben wir erzielt, wenn der Kanalquerschnitt einen lichten Durchmesser von mindestens 10 und maximal 50 Millimetern aufweist. Bei Querschnitts- und Richtungsänderungen achten wir immer auf möglichst strömungsgünstige Übergänge. Solange die Änderungen der Kanalgeometrie nicht zu abrupt werden, sind Umlenkungen mit Richtungsänderungen von bis zu 180 Grad machbar.
Als Demonstrator haben wir sogar ein Stuhlkreuz hergestellt, bei dem der Gasinjektor zentral sitzt und so anschließend fünf Stuhlbeine gleichzeitig ausräumt. Mit der heutigen Technik ist es zudem möglich, zwei separate Kanäle innerhalb eines Bauteils auszubilden, oder in einem Werkzeug mit zwei Kavitäten jeweils einen Kanal pro Bauteil zu erzeugen. Bei allen Anwendungen gilt jedoch, dass die möglichen Hohlräume immer vom Bauteil und seiner Geometrie abhängen und darauf anzupassen sind.
Damian Föllmi: Eine über die gesamte Kanallänge völlig gleichmäßige Wandstärke ist physikalisch nicht erreichbar. Wir können also nicht den Anspruch stellen, eine Geometrie wie bei einer gegossenen oder mechanisch bearbeiteten Bohrung mit definierten Maßen und engen Toleranzen zu erzielen. Die bereits erstarrte Randschale und die Kanalführung bilden die Randbedingungen, innerhalb derer sich das einströmende Gas den Weg des geringsten Widerstands sucht. Unser Ziel ist deshalb eine definierte Restwandstärke, die wir innerhalb festgelegter Toleranzen reproduzierbar erreichen können.
Wir steuern das über die Gasinjektionsparameter, etwa Prozesszeiten und Gasdruck sowie über die Werkzeugtemperierung. Da der Ausblasprozess sehr schnell abläuft, hat die fortschreitende Erstarrung während dieser kurzen Zeit nur einen geringen Einfluss auf die Restwandstärke. In der Produktion prüfen wir die Ergebnisse anschließend mit Computertomografie, Röntgenprüfung und zerstörenden Untersuchungen wie Sägeschnitten. Zusätzlich überwachen wir die relevanten Prozessdaten, wodurch wir Abweichungen erkennen und den Prozess innerhalb eines definierten Prozessfensters führen können.
Schon in der Entwicklungsphase simulieren wir Formfüllung und Erstarrung sowie inzwischen sogar die Gasinjektion selbst. Auf dieser Grundlage optimieren wir die Bauteilgeometrie mit Kanalgeometrie und Wandstärken, den Gaszuführkanal, die Nebenkavität sowie die Werkzeugtemperierung und legen alles auf optimale Bedingungen für die Gasinjektion aus. Von der Bauteilauslegung über die Simulation bis zur Prüfung in der Produktion haben wir damit die gesamte Kette im Griff. Was jetzt noch fehlt, ist das erste konkrete Kundenprojekt und genau darauf arbeiten wir hin.
