Untersuchung präzisionsbestimmender Faktoren zur Minimierung von Verzug im Kokillen- und Druckgussprozess

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Der Erstarrungs- und Abkühlvorgang zahlreicher technischer Gusslegierungen ist mit einer Volumenkontraktion verbunden. Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten sowie physikalische Wechselwirkung zwischen Form und Gusslegierung wird diese oftmals erheblich behindert. Dies führt zur Ausbildung von Spannungen innerhalb des Gussteils. Die Summe der remanenten inneren Spannungen resultiert insbesondere dann in Verzug, wenn ihre Verteilung inhomogen oder über den Querschnitt unsymmetrisch ist. Dies ist gegenwärtig für praktisch alle komplexeren Gussteile der Fall. Besonders stark äußert sich diese Problemstellung im wirtschaftlich hochrelevanten Druckguss, da hier durch den raschen Wärmeentzug ein intrinsischer Spannungsabbau erschwert wird. Zudem können im Druckguss zusätzliche Eigenspannungen auftreten, die aus dem zur Kompensation von Schwindung aufgebrachten Nachdruck herrühren. Weder das erforderliche nachträgliche Richten der Bauteile noch die Beaufschlagung von Aufmaßen zwecks späterer spanender Bearbeitung sind wirtschaftlich-technisch sinnvolle Korrektive.

Der Entstehung von unerwünschtem Verzug kann prinzipiell bereits auf konstruktiver Ebene vor dem Guss oder während der Erstarrung über die Einstellung erforderlicher lokaler Abkühlbedingungen begegnet werden. Jedoch existieren hierfür zurzeit nur unzureichende Richtlinien oder Maßnahmen, da hierfür wesentliches Grundlagenwissen noch zu erarbeiten ist.

Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist daher die Erarbeitung des Verständnisses der fundamentalen Zusammenhänge zwischen Verzug und den lokalen Abkühlbedingungen der schmelzflüssigen Phase basierend auf der Kopplung numerischer, empirischer und experimenteller Methoden. Mit diesen Kenntnissen und Methoden wird eine deutliche Verringerung des Verzuges möglich sein. Als Ziel für die Reduktion wird ein Faktor von 5 bis 10 angestrebt, der durch die Summe aller Maßnahmen erreicht werden soll. Mögliche Lenkungsmechanismen werden auf vier Ansätzen eruiert: gusswerkstofflich, formwerkstofflich, bauteilkonstruktiv und formkonstruktiv. Das Vorhaben gliedert sich in drei Phasen. Der Fokus der ersten Antragsphase liegt übergeordnet auf der Analyse verzugsbestimmender Faktoren. Dies bedeutet, dass einerseits der Istzustand im Gießprozess genau erfasst wird und andererseits umfassende Möglichkeiten zur Einflussnahme auf die Mikrostruktur und darüber auf die Eigenspannungen im Gussteil und so letztlich den Verzug gewonnen werden. Dies beinhaltet konkret folgende Teilziele: Bestimmung und Analyse des anteiligen Effekts und der Wechselwirkung von Mikrogefügeevolution, Volumenkontraktion und Abkühlrate auf die inneren Spannungen bzw. den Verzug, Bestimmung und Analyse der verzugsrelevanten Prozessgrößen, Untersuchung prozessrelevanter Methoden zur Beeinflussung des Verzugs über eine adaptive Temperierung sowie Erarbeitung eines Konzeptes zur in-situ Analyse der Evolution von Eigenspannungen und Mikrostruktur. Als weiterer Aspekt soll die Einflussnahme auf den Verzug mittels oberflächenvergrößernder Strukturen betrachtet werden. In der zweiten Phase werden die grundlegenden Ergebnisse auf den Druckguss übertragen, wobei weitere sich ergebende Forschungsfragen, wie etwa die Auswirkung der prozessspezifischen Spaltbildung infolge der festen Schwindung, adressiert werden sollen. Darüber hinaus werden zusätzliche Aspekte der gezielten Beeinflussung des Verzugs sowie erste Analysen der Verzugsproblematik im Themenbereich Verbundguss betrachtet. In der dritten Projektphase ist geplant, dezidiert Fragestellungen zu hybriden Werkstoffen wie z.B. Metall-Metall und Metall-Kunststoff zu untersuchen. Bei diesen zukunftsträchtigen Technologien spielt die Verzugsproblematik eine besonders große Rolle, da zur Einstellung eines homogenen Verbundes eine größtmögliche Verzugsfreiheit der Komponenten gewährleistet sein muss. Es findet über die gesamte Projektlaufzeit eine fortwährende inhaltliche Interaktion mit den zahlreichen anderen Teilprojekten statt. Einige Beispiele sind die enge Kooperation mit B7 und B9, um gemeinsam die numerische Verzugsoptimierung und grundlegende Auslegung des Temperierungskonzepts zu erarbeiten. Zudem ergeben sich aus der Problemstellung der bauteiladaptiven Temperierung Parallelen zu B1, mit A10 ist die Zusammenarbeit in Bezug auf die Beschichtung von Modulen zur Temperierung geplant und mit A6 zur Thematik Materialbeeinflussung/Gefügezusammensetzung und Eigenspannungen. In die Gesamtziele des SFB zur Kontrolle der präzisionsbeeinflussenden Faktoren in schmelzebehafteten Fertigungsprozessen ordnen sich die Ziele des TP B8 in die Forschungsfelder der Erstarrungsbeherrschung ein. Diese ist durch eine integrative ganzheitliche Betrachtung der Prozesse und Werkstoffe im Bereich der Grenzflächenphänomene fest-flüssig, Volumenkontraktion, Phasen- und Gefügeumwandlung sowie Wärmetransport zu erreichen.

Das TP leistet damit einen grundsätzlichen Beitrag für das Verständnis der präzisionsbeeinflussenden Faktoren bei Gieß- und Erstarrungsprozessen. Weiterhin geht mit der Erreichung der Ziele des TP der wissensbasierte Übertrag der Verzugsreduktion auf produktionsnahe Werkstoffe und Fertigungsprozesse im Bereich der direkt urformenden Produktionsverfahren einher. Damit stellt das TP eine zwingend notwendige Komponente zur Erreichung des Gesamtforschungsziels mit signifikanter Bedeutung für die Grundlagen und Anwendung dar.

 

Aufbau

Entwickelter Versuchsaufbau für ein rotationssymmetrisches Gussbauteil aus A356, bestehend aus einer modularen Form und der Messtechnik.

 
B8 Video