Projekt 37339/01

Entwicklung eines druckbeaufschlagten turbulenzarmen Gießprozesses (2. Phase)

Projektträger

ENTEC-STRACON GMBH
Stiewingstr. 101
73433 Aalen
Telefon: +49 7361 8809390

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung einer Gießzelle zur optimalen Herstellung von Leichtmetallgussteilen mit sehr unterschiedli-chen Wanddicken. Grundlage ist eine im Vorfeld erfolgreich erarbeitete Basismachbarkeitsstudie und das Förderprojekt Aktenzeichen 35798, indem die Technologie erfolgreich verifiziert wurde, sodass die-ses Verfahren in Kombination mit der richtig ausgeführten Gießzelle zur Serienreife eingesetzt werden kann, sowie ökonomisch als auch ökologisch im Einklang steht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm ersten Arbeitsschritt wurden auf Basis von Vorkenntnissen und der aktuellen Marktveränderung die notwendigen Anforderungen erarbeitet. Die Schwerpunkte hierbei war die Abstützung der Vertikalkräfte in Verbindungen mit den Zielvorgaben der Technologie so zu kombinieren, dass das Werkzeug optimal eingesetzt werden kann.

Das Grundprinzip der Abstützung der enormen vertikalen Kräfte war bereits bei Beginn des Förderprojek-tes bekannt. Dementsprechend wurde zu Anfang eine Gusslösung der Aufspannplatten favorisiert. Hier-bei wurde seitens des Kooperationspartners Oskar Frech auf Basis von Simulationen Bedenken geäu-ßert, dass hierbei große Kerbwirkungen diese Aufspannplatte beschädigen, sodass das Konzept inForm einer Anbauvariante dann überarbeitet bzw. auskonstruiert wurde.

Diese Anbauvariante hat mehrere Vorteile, zum einen ist es möglich das Konzept zu verifizieren und mit relativ geringem Aufwand zu optimieren und zum anderen bestehende Gießmaschinen auf dieses Kon-zept zumindest mechanisch umzubauen. In Summe waren hierbei viele Einzelkomponenten notwendig, die diese Gesamtabstützung ermöglichten, jedoch nach erfolgreicher Simulation in mehreren Schritten hat sich herausgestellt, dass dieser Weg konstruktiv lösbar war.

Hinzu kam auch noch die Veränderung der Marktsituation, sodass der Schwerpunkt der Zieldimensionen von Rädern sich von 15-20 Zoll auf 18-22 Zoll verändert hat. Auch dieser Umfang erforderte eine Kon-zepterweiterung mit allen hierfür notwenigen Anpassungen.


Anschließend wurden alle konstruktiven Einzelumfänge ausgearbeitet und auf die passende Gießmaschine adaptiert. Ein weiterer Vorteil der Anbauvariante gegenüber der Gussvariante war, dass diese vielen Einzelkomponenten verteilt werden konnten, sodass die Herstellung in Summe sogar schneller möglich war, als die Gussvariante der Aufspannplatten bei einem Stahlgießer mit anschließender Bearbeitung.

Nachdem auf Basis von Zeichnungsvorgaben die Hardware hergestellt wurde, wurden die Einzelteile an die Gießmaschine adaptiert und angebaut. Bei jeder Anbaustufe wurden die notwendigen Funktionen sowohl seitens der mechanischen Abstützung, als auch der hydraulischen kinematischen Bewegung in Kombination mit der thermischen Steuerung erweitert und ganzheitlich bezogen auf das Verfahren kontrolliert und angepasst.

Im Bezug auf das Verfahren und die Qualität der Ergebnisse wurde bei der technischen Umsetzung auf die optimale Prozessumsetzung geachtet. So wurde beispielsweise beim vorherigen Förderprojekt erkannt, dass die Prozessgesamtzeit für die Bauteilfestigkeit verantwortlich ist. Hierzu gehört das Dosieren, das Evakuieren, das Gießen und das Entnehmen bis hin zum Abschrecken des Bauteils. Aus diesem Grunde wurde statt einem Handlingsgerät die Schmelze mittels Roboter zur Gießkammer geführt, diese Erweiterung ermöglicht eine schnellere und präzisere Dosierung. Ebenfalls definiert sich eine gleichbleibende Qualität der Gussrohlinge durch eine wiederholbare Entnahmezeit. Aus diesem Grunde wurde auch hier ein Entnahmeroboter mit speziellem Greifer implementiert.

Des Weiteren wurde das Verfahren mit dem Auswalzen durch Flowforming kombiniert. Hintergrund ist, das durch die Kaltverfestigung beim Auswalzen noch dünnere Querschnitte realisiert werden können und somit das Gesamtergebnis aus der Kombination TURBU-DRUCK-GIESSEN und FLOWFORMING das Optimum darstellt. Hierbei geht es nicht nur um den Herstellungsprozess, sondern um die Laufleistung im Fahrbetrieb eines PKW-Rades, sodass diese zusätzlichen Vorteile nicht nur gießtechnisch, sondern auch Ergebnisorientiert sehr gut sind. Theoretisch war es aus den Vorversuchen mittels Zug- und Torsionsproben möglich, die eingesetzte Legierung auszuwalzen, jedoch die Kombination mit Druckguss und der hierbei entstehenden Qualität musste dies ebenfalls verifiziert werden.

Nach der Konzepterstellung, der anschließenden Auslegung und Umsetzung mittels Hardware, wurden mehrere Gießversuche durchgeführt. Hierbei wurden die Programme sowohl beim Dosieren, als auch beim Evakuieren in mehreren Schritten optimiert. Mit jedem Gießversuch haben sich die Ergebnisse verbessert und alle Einzelmaßnahmen haben die Qualität des Gussteiles erhöht, sowohl in Bezug auf Gießfehler und Porosität. Wichtig hierbei waren die Erkenntnisse, dass für eine erfolgreiche Markteinführung der Technologie der Prozess wiederholbar umgesetzt wird. Schon bei der Schmelze und Ihren Bestandteilen an sich, bei der Verarbeitungstemperatur, beim Dosieren, beim Evakuieren, beim Gießen und beim Entnehmen bis zum Abschrecken ist unabdingbar, dass alle Parameter passen. Aus diesem Grunde sind gerade für diesen Bereich eine ständige Überwachung der Parameter unbedingt notwendig. Sodass der Automatisierungsgrad inkl. der Möglichkeit des Eingriffs in Echtzeit nicht nur die Qualität sichert, sondern auch die Möglichkeit bietet bevor Ausschuss entsteht, reagieren zu können.




Ergebnisse und Diskussion

Die Gießanlage wurde innerhalb des Fördervorhabens zielführend ausgelegt und zeigt das ganzheitliche enorme Potential dieses Verfahrens, gerade beim ersten Produktansatz ? dem Leichtmetallrad


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Auf Messen (Automechanika in Frankfurt + Motor Show in Essen) wie auch in sozialen Medien (LinkedIN) wurde das erste potenzielle Serienprodukt im TURBU-DRUCK-GUSSVERFAHREN präsentiert. Ziel hierbei ist im Laufe des ersten Quartals in 2023 die Verkaufsfreigabe zu erreichen um dieses erste Produkt ausrollen zu können. Ge-rade der Umweltaspekt aus nachhaltiger Herstellung und im Gebrauch ermöglicht enorme Verbesserung inner-halb der CO2-Reduktion und der Energiebilanz.


Fazit

Mit dem Förderprojekt zum Einsatz von recyceltem Material und optimaler Zellennutzung – DBU 38505 wird der Prozess in Richtung umweltfreundlicher Herstellung weiter optimiert.