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17. September 2013

Bühler AG: Ein industrieller Prozesspfad für hochwertige Salzkerne

Bühler AG: Ein industrieller Prozesspfad für hochwertige Salzkerne

Die beim Druckgiessen eingesetzte Formtechnologie bedingt gewisse Einschränkungen der Teilegeometrie, insbesondere bezüglich Hinterschneidungen oder innerer Hohlräume. Als Abhilfe bietet sich der Einsatz verlorener Kerne an, doch erfordern die äusserst rauen Abläufe beim Einschieβen des flüssigen Metalls in die Form den Einsatz besonders stabiler Kerne. Salzkerne haben sich hier bereits bewährt, doch sind die hierfür bestehenden Prozesspfade für die Groβserienfertigung ökonomisch wie technologisch nicht ausreichend attraktiv. Entsprechend interessant ist der hier beschriebene Ansatz, bei dem Salzkerne aus der flüssigen Phase anhand einer modifizierten Druckgieβtechnologie erzeugt werden.

Zu den besonderen Vorteilen des Druckgieβens zählen neben hoher Produktqualität auch Produktivität und Kosteneffizienz.  Leider gibt es jedoch eine Reihe attraktiver Einsatzbereiche, in denen das Verfahren aufgrund spezifischer Beschränkungen bisher nicht oder nur beschränkt zum Einsatz kommt. Dies sind insbesondere Komponenten, deren Geometrie den Einsatz verlorener Kerne erfordert. Typische Beispiele hierfür sind hinterschnittene Bereiche, weitgehend geschlossene Hohlräume oder komplexe innere Strömungskanäle, wie sie u.a. bei bestimmten Bauarten von Motorblöcken gefordert werden. In solchen Fällen musste das Druckgieβen hinter anderen Verfahren wie dem Sand- oder Kokillengieβen zurückstehen. Beim Druckgieβen werden Sandkerne dagegen nur sehr selten eingesetzt, da sie entweder den hohen mechanischen Beanspruchungen beim Einschieβen des Metalls in die Form nicht standhalten oder – bei Verwendung sehr fester Binder – nicht mehr mit vertretbarem Aufwand entfernt werden können.

Vorteile von Salzkernen
Zu den wichtigsten Vorteilen von Salzkernen aus der flüssigen Phase zählen hohe Stabilität gegenüber mechanischen und thermischen Beanspruchungen sowie ausgezeichnete Oberflächenqualität. Salz ist ein billiger und überall in beliebigen Mengen verfügbarer Rohstoff. Auch ist mit seiner Verwendung im Unterschied zu den meisten Sandformstofftechnologien keine komplexe Chemie mit entsprechender Umweltproblematik verknüpft. Zudem braucht man Salzkerne im Unterschied zu solchen aus Sand nicht zu schlichten, und ihre Entfernung auch aus schmalen, engen Hohlräumen ist vergleichsweise einfach zu bewerkstelligen. Das beim Entkernen anfallende Material kann zum gröβten Teil direkt wiederverwendet werden.
Trotz ihrer Vorteile blieb der Einsatz von Salzkernen bisher auf Nischenbereiche beschränkt.

Ein neuer, hoch produktiver Prozesspfad
Salzkerne bieten ganz erhebliches Potenzial für die Zukunft. Wichtige Trends vor allem in der Automobilbranche machen den Einsatz von Salzkernen im Bereich des Druckgieβens immer attraktiver. Besonderer Treiber ist hier der Motorbereich, wo die steigenden Belastungen bei gleichzeitig sinkenden Baugröβen den Übergang von „Open Deck“-Konstruktionen zu „Closed-Deck“-Ausführungen nahelegen. Letztere erfordern den Einsatz verlorener Kerne für die Darstellung des inneren Wassermantels.

Entscheidend ist in diesem Zusammenhang deshalb ein hoch produktiver und zugleich sicher beherrschbarer Prozesspfad für die Herstellung von Salzkernen sowie Bauteilen.

Aktueller Entwicklungsstand
Seit Juni 2012 steht im Bühler Technologiezentrum in Uzwil die weltweit erste automatisierte Produktionsanlage zur Herstellung von „Lost Core“ im Druckguss. Die Anlage ist für Null- und Kleinserien ausgelegt. Die Anlagentechnologie stammt aus dem Hause Bühler (Bild 1). Grundlegende Aspekte wie die Zusammensetzung der Salzmischung, die Besonderheiten des Misch- und Schmelzprozesses sowie die mechanischen Eigenschaften der Salzkerne wurden umfassend untersucht. Als besondere Herausforderungen erwiesen sich hierbei die Beherrschung der hohen Materialschwindung bei der Erstarrung des Salzes mit entsprechend starker Lunkerbildung im Kerninneren.
Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sowie der Prozessentwicklung haben es Bühler ermöglicht den Lost Core Prozess mittels Computersimulation darzustellen. So kann z.B. die Füllung und Erstarrung des Salzkerns überprüft werden. Zusätzlich ist es möglich die Füllung des Bauteils mit eingelegtem Salzkern und somit die An- und Umströmung des Kerns zu simulieren. Auf diese Weise können die Spannungen berechnet werden, die im Kern während des Umgiessens entstehen, was wiederum hilft die Überlebens-wahrscheinlichkeit der Salzkerne vorauszusagen. Damit sind die Bühler Ingenieure in der Lage schon in der Designphase mögliche Herausforderungen zu erkennen und entsprechende Designänderungen am Bauteil oder Angusssystem vorzunehmen.

Anhand eines eigens für Testzwecke entwickelten Pilotbauteils hat Bühler alle wichtigen Aspekte des Prozesspfades erforscht und weiterentwickelt. Ein stabiler Prozess ist das Ergebnis dieser Anstrengungen (Bild 2a-2d).

Hauptbestandteile der Prozesskette
Die Prozesskette für die Herstellung von Salzkernen entspricht im Wesentlichen derjenigen für das normale Druckgieβen. Das Salzgemisch besteht aus wenigen Grundstoffen, die separat gelagert und erst unmittelbar vor Einsatz in den Ofen dosiert und gemischt werden. Einschmelzen, Warmhalten und Dosieren des flüssigen Salzes in die Gieβanlage erfolgen mit Hilfe von Systemen, die in ähnlicher Form auch beim klassischen Druckgieβen eingesetzt werden. Der eigentliche Gieβprozess entspricht ebenso wie das dafür eingesetzte Aggregat weitgehend dem üblichen Schema: Nach dem Schlieβen der Form wird eine genau dosierte Menge an Schmelze mit Hilfe eines Kolbens unter hohem Druck in die Form „geschossen“ und erstarrt dort innerhalb weniger Sekunden (Bild 3). Nach dem Öffnen der Form entnimmt ein Roboter den Kern und transferiert ihn zur Wasserhochdruck-Entkernungsanlage (Bild 4). Die fertigen Salzkerne werden dann zur Produktion weitergeführt.

Von Demonstratoren zu Pilotbauteilen
Im Rahmen der Entwicklung wurden bei Bühler erfolgreiche Gieβversuche mit verschiedenen Demonstratoren durchgeführt. Kerne und entsprechende Aluminium-Druckgussteile für Closed-Deck-Zylinderblöcke sowie diverse Bauteile für die Bereiche Ölkreislauf sowie Ölfilterung wurden gegossen. Zurzeit treibt Bühler in enger Zusammenarbeit mit einigen industriellen Partnern die Vorarbeiten für die Aufnahme der Pilotfertigung ausgewählter Bauteile voran. Hierzu gehören diverse Komponenten aus dem Bereich des „Powertrain“.
Für die nähere Zukunft ist man im Gespräch mit weiteren potenziellen Partnern, die Interesse an entsprechenden Entwicklungsprojekten haben. Von Interesse sind dabei Bauteile auch aus Branchen auβerhalb der Kfz-Industrie, vor allem aus Sektoren, wo es um strömungsbeaufschlagte Komponenten wie Pumpen, Armaturen, Krümmer oder Fittings geht. Auf längere Sicht kommen zudem nicht nur Druckgussteile infrage: Prinzipiell kann Bühler sich vorstellen, dass Salzkerne auch für andere Gieβprozesse und Gusswerkstoffe wie z.B. Messing eine interessante Lösung darstellen könnten

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