Filigran gegossene Kunst

Titan- und Aluminium-Feinguss für gewichtsreduzierte Bauteile im Fahrzeug- und Maschinenbau. Feingussteile aus Titan- und Aluminium-Legierungen haben ein breites Anwendungsgebiet in den...

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Titan- und Aluminium-Feinguss für gewichtsreduzierte Bauteile im Fahrzeug- und Maschinenbau Feingussteile aus Titan- und Aluminium-Legierungen haben ein breites Anwendungsgebiet in den High-Tech-Märkten Luft- und Raumfahrt, Rennsport, Elektronik, Optik und in der Medizintechnik gefunden. Von neuen Fertigungsverfahren erwartet man im Zeitalter der Rohstoffverknappung und Energieverteuerung einen deutlichen Beitrag zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Kosteneinsparung. Dies ist mit dem Einsatz von Titan- und Aluminium-Feinguss möglich. Der Feinguss nach dem Wachsausschmelzverfahren mit verlorenen Modellen erfüllt die steigenden Ansprüche und Forderungen der modernen Technik. Feingussteile garantieren eine optimale Werkstoffausnutzung, komplizierte Werkstück-Konstruktionen, hohe Maßgenauigkeiten, geringe Wanddicken sowie entsprechende Kosten-einsparungen. Sorgfältige und präzise Anfertigung der Aluminium-Werkzeuge bildet die Voraussetzung für die Qualität und Maßgenauigkeit des späteren Feingussteiles. Die Werkzeuge müssen absolut maßbeständig sein und die Herstellung einer großen Zahl von Wachsmodellen erlauben, ohne Verschleißerscheinungen zu zeigen. An das Wachsmodell werden sehr hohe Anforderungen gestellt, wie gute Formstabilität, geringe Schwindung, ausreichende Temperaturbeständigkeit, günstiges Ausdehnungsverhalten, rückstandsloses Verbrennen.Weil in der heutigen Zeit immer mehr Produkte in kürzester Zeit entwickelt und auf dem Markt eingeführt werden müssen und auch die Entwicklungskosten gering gehalten werden sollen, bringt das Rapid Prototyping-Verfahren im Feinguss dem Kunden besondere Vorteile. Mit den CAD-Daten und einer Aufbereitung für die Stereolithographie-Maschine wird das Modell erstellt. Im Feingussverfahren werden hauptsächlich angewandt:- Stereolithographie-Modelle (SL), hergestellt nach dem 3-D-Systems (Quickcast-System) oder nach EOS (Hülle-Kern-System). Diese Modelle sind hergestellt aus flüssigen Polymer-Harzen, die ein Laser, der CNC-gesteuert ist, schichtweise aushärtet.- Sinter-Modelle (SLS) werden aus verschiedenen pulverförmigen Materialien hergestellt. Nach dem Feinen der Oberfläche des Modells wird dieses dann direkt dem Fertigungsprozess zugeführt.Als nächster Schritt zum fertigen Guss folgt die Beschichtung der Wachstrauben oder der Rapid-Prototyping-Modelle mit flüssiger Keramik. Entscheidend für die Qualität des Gussteiles und insbesondere der Oberflächengüte ist, dass die Oberfläche schon beim ersten Tauchen in die flüssige Keramik gleichzeitig und überall benetzt wird. Mehrmaliges Tauchen und anschließendes Besanden sowie computergesteuerte Trockenzeiten garantieren, dass gleichmäßige Schichten aufgetragen werden.Nach dem Trocknen der Keramik ist die Schalenbildung abgeschlossen. In einem Autoklaven wird das Wachs oder das Harz unter Temperatur und Druck aus der Form herausgeschmolzen. Die ungeteilte Schale (Gussform aus feuerfester Keramik) durchläuft in einem Brennofen mehrere Temperaturstufen und wird auf Endhärte gebrannt. In die so vorbereitete Gussform kann das geschmolzene Aluminium oder Titan einfließen. Nach dem Erstarren wird die Keramik zerschlagen (verlorene Form) und der Abguss entformt. Die vorher an das Modell angeklebten Anschnitte und Angusskanäle werden abgetrennt, abgesägt und die Oberfläche des Gussteiles geputzt und nachgearbeitet.Allgemeine KonstruktionsrichtlinienFür die Herstellung von Feingussteilen ist es besonders wichtig, dass der Kontakt zwischen Gießer und Konstrukteur in einem möglichst frühen Stadium der Entwicklung von Bauteilen, Systemen oder Konstruktionen aufgenommen wird, um sorgfältig die gießgerechte Gestaltung zu optimieren und die Werkstoff- und Legierungsauswahl zu treffen. Nur so sind alle Vorteile des modernen Feingießverfahrens konstruktionsgerecht und kostengünstig zu nutzen.Anwendungsgebiete für Feinguss ergeben sich immer dort, wo komplizierte Innenkonturen, Hinterschnitte, Hohlräume oder gekrümmte Flächen, die mit anderen Fertigungsverfahren gar nicht oder nur aufwendig herstellbar sind, gefordert werden. Mehrere Konstruktionsteile können in einem Gussteil integral gegossen und dadurch aufwendige Fügeverfahren eingespart werden. Auch lassen sich funktionsgerechte Feingussteile formschön gestalten. Die nahezu einbaufertige Ausführung der Gussteile spart Material und macht viele Bearbeitungsgänge überflüssig.Premium-Feingussfür AluminiumDas Hero-Verfahren ist die Kombination eines innovativen Gießverfahrens, intelligenter Verfahrenstechnik mit dem modernen Werkstoff Aluminium. Als Ergebnis entstehen leichte, hochfeste und komplexe Bauteile, die den Anforderungen an Konstruktionen von morgen voll gerecht werden.Das patentierte Hero-Verfahren unterscheidet sich von den konventionellen Gießverfahren durch die Fähigkeit, die Erstarrung in einem Bauteil computergestützt zu lenken. In der Gießanlage werden die erwünschten Erstarrungsparameter eines Gussteiles in einen Prozessrechner eingegeben und von diesem in reproduzierbare Eigenschaften umgesetzt.Die schnelle, gelenkte Erstarrung beim Hero-Verfahren führt von der Wanddicke unabhängig zu einem feineren und dichteren Gussgefüge im gesamten Bauteil und damit zu verbesserten geometrieunabhängigen mechanischen Eigenschaften. Die feine Mikro- und Makro-Struktur ist ursächlich für die Festigkeitssteigerung verantwortlich. Das dichte Gefüge verbessert die Zähigkeit. Das Hero-Verfahren ist prädestiniert für den Einsatz in Strukturen, die dynamischen Belastungen unterliegen.Beim Premium-Feinguss kann bei Luft- und Raumfahrtkonstruktionen und -bauweisen der Gussfaktor CF = 1,0 für ausgewählte Werkstoffe, Verfahren und zugelassene Hersteller verwendet werden.Das Cockpit der Boeing 767-400 ist ein besonders, erfolgreiches Beispiel für die Verwendung von Premium-Feinguss mit dem Gussfaktor 1,0. Das Cockpit in der alten Blechausführung bestand aus 296 Teilen gegenüber jetzt 11 Gussteilen. Das Gewicht konnte um 25% und die Kosten insgesamt um 50% gesenkt werden. Die Kostenreduzierung ist vor allen Dingen auf der Reduzierung der Montagearbeit von 180 Stunden auf 20 Stunden begründet. Die Wanddicken der Gussteile wurden bei dem 1,7 m langen Cockpit auf 1,2 mm bis 1,4 mm reduziert (Bild 1). Gegossen wurde der Werkstoff GF-AlSiMg0,6 oder 3.2384.6 mit den garantierten Eigenschaften Rm = 330 MPa, Rp0,2 = 270 MPa, A5 = 5%.Nach dem erfolgreichen Einbau der gegossenen Cockpit-Teile in die 767-400 wird jetzt bei Boeing in Seattle auch daran gedacht, die 737 und die 777 mit derartigen Feingussteilen auszurüsten.Bild 2 zeigt das Zwischengetriebe einer neuen Triebwerkstechnologie. Das Projekt trägt die Bezeichnung ATFI (Advanced Technology Fan Integrator). Die Fertigungskosten des neuen Triebwerkes sollen dabei bis zu 30%, der Treibstoffverbrauch um 10% und die Lärmimmission um 30 dB vermindert werden. Das Gehäuse hat einen Durchmesser von 960 mm, eine Höhe von 360 mm und ein Rohteilgewicht von 80 kg. Es handelt sich hierbei um das größte in der Welt hergestellte Feingussteil. Die minimalste Wanddicke an der Schaufelspitze beträgt 1,2 mm neben massiven Bereichen im Aufhängebereich von rund 100 mm bis 80 mm. Es besteht aus 21 Leitschaufeln, von denen drei mit je sechs Ver- und Entsorgungskanälen bestehen. Auch hier wurde der Werkstoff GF-AlSiMg0,6 vergossen. Die garantierten Eigenschaften sind ähnlich denen des Cockpits des Boeing-Flugzeuges.Einige Beispiele für Titan-FeingussDer Werkstoff Titan ist ein äußerst junger Werkstoff. Erste Titan-Feingussteile nach dem Wachsausschmelzverfahren wurden 1968 in Amerika hergestellt. Erst seit wenigen Jahren finden Feingussteile aus Titan-Legierungen Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in der chemischen Industrie und in der Medizintechnik.Flüssiges Titan reagiert mit nahezu allen bekannten Stoffen außerordentlich leicht. Da zudem der Schmelzpunkt recht hoch liegt, ist es sehr schwierig, geeignete Formstoffsysteme zu finden, die eine Herstellung von Gussteilen mit weitgehend verunreinigungsfreier Oberfläche ermöglichen. Trotzdem kann nicht ausgeschlossen werden, dass Formstoffreaktionen durch flüssiges Titan auftreten und, bei allen Feingussteil-en in mehr oder weniger großem Umfang versprödete Oberflächenschichten mit Eindringtiefen von 0,1 mm bis 0,3 mm vorhanden sind. Erst die restlose Entfernung dieser Schicht durch Beizen oder Strahlen in Verbindung mit dem Beseitigen innerer Gefügefehler durch ,,Hot Isostatic Pressing" (HIP) führt auch zu hohen Dauerfestigkeitswerten, das heißt, isostatisches Pressen wird bei 1000 bar Druck, 920 °C und zwei Stunden Haltezeit durchgeführt.Titan und Titan-Legierungen weisen eine ausgezeichnete Verträglichkeit mit dem menschlichen Gewebe auf. Sie bieten sich daher auch für Implantate an.