Gussteile Feingussgehäuse sind Präzisionsteile mit Multifunktionalität

Das Feingießen lässt viele Freiheiten bei der Bauteilgestaltung. Dadurch kann man bei Gehäusen viele Funktionen in einem Bauteil bündeln. Das Ergebnis sind Multifunktionsteile in hoher Qualität, wie sich anhand eines Aluminiumgehäuses für Drehmomentschrauber zeigen lässt, das bezüglich Geometrie und Funktionen in einem Schritt entsteht. Dadurch wird die Serienfertigung sehr wirtschaftlich.

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Zollern Gießereitechnik und die Alki-Technik GmbH, Ingolstadt, haben gemeinsam ein Feingussgehäuse aus Aluminium für Drehmomentschrauber entwickelt. Diese Schrauber von Alki-Technik werden pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch angetrieben. Sie kommen unter anderem bei der Montage von Windkraftanlagen zum Einsatz.

Die Entscheidung für Aluminium als Gehäusewerkstoff fiel aufgrund der Forderung nach wenig Gewicht und guter Wärmeleitung. Für das Feingießverfahren spricht die Komplettfertigung des Aluminiumgehäuses in einem Zyklus – einschließlich der starken Verrippung der Oberfläche zur Wärmeabführung, des ergonomisch gestalteten Griffbereichs und des Einbauraums für die Elektronik und den Antriebsmotor im Gehäuse (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Alki-Technik entwickelt und fertigt kompakte schraubfallbezogene Kraftschrauber. Sie sind für Drehmomente von 70 bis 6300 Nm konzipiert, zum Montieren oder Demontieren von Verschraubungen, zum Beispiel beim Aufstellen von Gitterkränen und Windkraftanlagen, bei der Getriebe- und Behältermontage.

Die elektrisch angetriebenen Werkzeuge sind für den Einhandbetrieb ausgelegt und mit mobilen Stromaggregaten ausgestattet, wie es im Baustellenbereich üblich ist. Dort spielen Kriterien wie niedriges Gewicht und Dauereinsatzfähigkeit eine entscheidende Rolle, um die Monteure zu entlasten. Weil die Schrauber in der Mehrzahl der Fälle wetterunabhängig im Freien betrieben werden, müssen sie die Anforderungen der Schutzklasse IP54 erfüllen.

Wäremabfuhr nur über Verrippung des Gehäuses möglich

Das setzt ein geschlossenes Gehäuse voraus. Das heißt: Die Wärmeabfuhr ist nur über die Verrippung der Gehäuseoberfläche möglich. So werden mit dem Leichtbauwerkstoff Aluminium zwei Gehäuseeigenschaften abgedeckt: Aluminium hat ein niedriges spezifisches Gewicht im Vergleich zu Stahl und eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Die Konstruktion basiert auf zwei Halbschalen, die den Antriebsmotor, die Regelelektronik und die Bedienelemente umschließen. Ebenfalls in das Gehäuse integriert wurden die Lagersitze für den Antriebsmotor und die Kabelkanäle.

Im Dauerbetrieb muss der Motor die Wärme, die er erzeugt, über das Gehäuse abführen können. Dazu ist eine enge Passung zwischen Gehäuse und Motor erforderlich.

Dieser Bereich lässt sich mechanisch nur unter hohem Kostenaufwand bearbeiten. Auch aus diesem Grund wurde das Feingießverfahren für die Gehäusefertigung ausgewählt. Es ermöglicht, die nötigen Endmaße der Profilform durch Präzisionsrichten im lösungsgeglühten Zustand herzustellen.

Fast kompletter Sichtbereich mit Kühlrippen überzogen

Entscheidend bei diesem Projekt ist die enge Zusammenarbeit zwischen Gießerei und Konstruktion. Sie begann bereits in der Konzeptphase, um die wirtschaftlichste Bauteilausführung zu erreichen. Zollern stellt bereits seit 1951 Feingussteile aus unterschiedlichen Werkstoffen her.

Die Werkstoffpalette umfasst Stahl, Aluminium, Bronze und hochwarmfeste Nickelbasislegierungen. Die Fertigungskette reicht bis zur mechanischen Bearbeitung und nachfolgendem Oberflächenschutz. Das Ergebnis sind qualitativ hochwertige Präzisionsteile, wie sie Alki-Technik schon zuvor bei Zollern fertigen ließ.

Die besondere gießtechnische Herausforderung beim jüngsten Projekt liegt einerseits in der Gehäuseoberfläche im Sichtbereich und andererseits in der konstruktiven Festlegung der Lagerung, internen Verkabelung und Kühlung des Antriebsmotors. Die Motorkühlung wird durch eine Vielzahl dünner Kühlrippen erreicht, die bis auf den Griffbereich fast die gesamte äußere Sichtfläche des Gehäuses bedecken.

Feinrippen im Gehäuse Herausforderung für den Feinguss

Das ist für den Feingießer insofern eine Herausforderung, als sich der Aufbau der Formstoffkeramik in den engen Schlitzen zwischen den Kühlrippen sehr schwierig erreichen und eine Speisung nur über die Teilungsfläche der Gehäusehälften ermöglichen lässt. Der Motor stützt sich wiederum in den beiden relativ massiven Lagersitzen ab, die sich dadurch als Anschnittflächen geradezu anbieten.

Begrenzt werden diese Anschnittflächen von den Kabelkanälen, die sie umgeben, was zu einer Unterbrechung der Speisungswege führt. Der Antriebsmotor kann die Wärme, die er erzeugt, nur über direkten Kontakt an das Aluminiumgehäuse abgeben. Deshalb werden an diese Kontaktfläche erhöhte Toleranzanforderungen hinsichtlich der Profilform gestellt.

Weil das Gehäuse nur als 2D-Konstruktion vorgelegen hatte, war ein 3D-Modell im Formenbau zu erstellen. Die besondere Schwierigkeit lag dabei in der Modellierung der zeichnerisch nur sehr begrenzt darstellbaren ineinander laufenden Radien im Bereich des zentralen Bedienelements auf der Rückseite des Schraubers.

Ausreichendes Gießgefälle sorgt für lunkerarmen Feinguss

Basierend auf den Erfahrungen mit ähnlichen Projekten wurde der Mindestabstand zwischen den Kühlrippen mit 4 mm – immer bezogen auf den Abstand am Rippengrund – fest definiert. Die Rippenhöhe sollte 10 mm nicht übersteigen. Für die Rippenstärke gilt eine Mindestwanddicke von 2 mm, ansonsten besteht die Gefahr, dass sich die Rippen durch den Entformungsprozess ausbeulen.

Die Rippen auf den ebenen Flächen haben je nach Länge eine Schräge von 0,1 bis 0,3 mm pro Seite. Der Radius im Rippengrund entspricht je nach Rippenabstand und Rippenhöhe mindestens der Wandstärke der Rippe oder ist im optimalen Fall voll verrundet. Rippen, die gegen eine Kontur laufen, erhalten einen Füllradius, der mindestens der Hälfte der Rippenhöhe entspricht.

Der Rippenboden darf nicht dünner sein als die Rippenwanddicke, weil aus optischen Gründen eine Speisung von der verrippten Seite aus nicht möglich ist. Als Kompromiss zwischen Gewicht und Gießbarkeit wurde die Wanddicke des Rippenbodens um 3 mm dicker gewählt als die Rippenstärke.

Aufgrund dieser Maßnahmen verhalten sich die Rippen beim Erstarren wie Kühlfahnen. Damit stellt sich ein ausreichendes Gießgefälle zu den relativ weit entfernt liegenden Speisern auf der Teilungshälfte ein – die wichtigste Voraussetzung für einen lunkerarmen Guss.

Die ausschließliche Platzierung der Speiser auf der Teilungsebene ermöglicht ein wirtschaftliches Trennen und Verputzen der Angüsse. Um eine Massenanhäufung zu vermeiden, werden die Bohrungen der Lagersitze vorgegossen und mit einem Bearbeitungsaufmaß von 2 mm versehen.

Für die Versorgung der Lagersitze mussten deshalb speziell geformte Anschnitte entwickelt werden, weil die zur Verfügung stehenden Anschnittflächen durch die um die Lagersitze herumführenden Kabelkanäle zwischen Motor und Regelelektronik stark eingeschränkt sind. Alle Kabelkanäle werden voll verrundet ausgeführt und ohne weitere mechanische Nacharbeit perfekt dem Verlauf der Kabel angepasst.

Optimierungspotenzial bei den Griffhalbschalen

Das Projekt Griffhalbschale begann mit der Erstellung des 3D-Modells. Zu diesem Zeitpunkt war die ergonomische Gestaltung des Griffs noch nicht optimal für den Bediener ausgeführt. Weil vom Vorgängermodell noch eine rechte und linke Halbschale vorhanden waren, wurden durch mechanische Bearbeitung im Zollern-Formenbau ein größerer Radius an die Griffaußenseiten gefräst und die beiden Halbschalen durch Schweißen provisorisch miteinander verbunden.

Die Tests an diesem Handmuster ergaben weiteren Optimierungsbedarf, der dann entsprechend im 3D-Modell umgesetzt wurde. Zum Teil ergaben sich dadurch ineinander laufende Radien, die sich nur mit großem zeitlichen Aufwand modellieren ließen. Einige kleinere Übergänge mussten sogar von Hand in das Werkzeug eingebracht werden. Die Herstellung der Muster verlief nicht zuletzt aufgrund der intensiven Zusammenarbeit mit Alki-Technik im Vorfeld relativ problemlos, so dass man die Muster termingerecht liefern konnte. Jedoch musste einiges an Lehrgeld in der Keramikformherstellung bezahlt werden.

Während der Montage wurden Maßabweichungen am Rohteil im Bereich der Motoraufnahme festgestellt. Sie ließen sich durch manuelle Nachbearbeitung korrigieren. Nach der Fehleranalyse wurde das nächste Serienlos unter einer Presse mit Hilfe eines Kalibrierdorns gerichtet. Die Maßnahme ermöglichte, das Problem auf Dauer abzustellen. Inzwischen wurden mehrere hundert Teile in den vergangenen zwei Jahren ausgeliefert.

Projektpartner profitieren von früher Zusammenarbeit

Die mit dem Projekt Griffhalbschale gemeinsam mit Alki-Technik gesammelten Erfahrungen flossen schließlich in ein weiteres Projekt ein. Dabei ging es um ein Motorgehäuse für ein tragbares Hydraulikaggregat (Bild 2). Im Unterschied zur Griffhalbschale ist das Motorgehäuse einteilig aufgebaut. Das hat zur Folge, dass die erforderlichen Toleranzen im Bereich der Motoraufnahme durch eine kostengünstige Bearbeitung erreicht werden.

Die Erkenntnisse aus der Keramikbeschichtung wurden auf das neue Gehäuse übertragen und haben sich trotz der größeren Rippenhöhe bewährt. Allerdings musste viel Entwicklungsarbeit in die Gießtechnik investiert werden, weil das kompakte Gehäuse sehr große Wanddickenunterschiede aufweist.

In einer Reihe ähnlicher Projekte hat sich immer wieder gezeigt, dass komplexe Gussteile gemeinsam mit dem Kunden im Vorfeld der Beauftragung entwickelt werden sollten. Nur so erreichen Gussteilhersteller und -anwender den größten Nutzen.

Joachim Knaus ist Anwendungstechniker Feinguss der Zollern GmbH & Co. KG in 72481 Sigmaringen.

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