Leichtmetall-Teile mit Hilfe von FEM und Simulation prozessorientiert optimieren

Die bestechenden Eigenschaften der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium haben ihnen immer mehr Einsatzgebiete gesichert. Ihr geringes Gewicht verbunden mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften...

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Die bestechenden Eigenschaften der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium haben ihnen immer mehr Einsatzgebiete gesichert. Ihr geringes Gewicht verbunden mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und einer guten Gießbarkeit sind Gründe dafür. Um ihre Vorteile bei der Konstruktion von Druckgussteilen voll auszuschöpfen, bedarf es des Wissens über den gesamten Prozess des Druckgießens.Nachdem im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen Aluminiumteile eine Selbstverständlichkeit sind, gehen die Überlegungen der Entwickler für neue gewichtssparende Leichtmetallanwendungen zunehmend in Richtung Fahrwerk- und Strukturteile. Aluminium-Hardtops, -Sitzrahmen, -B-Säulen, und -Vorderachsen sind bereits realisiert oder aber in Entwicklung. Der zweite wichtige Leichtmetall-Werkstoff, das Magnesium, findet zukünftig neben Saugmodulen und Zylinderkopfhauben Verwendung bei Türinnenteilen, Instrumenten-Panels oder Sitzrahmen. Auch in der Telekommunikation sind die Leichtgewichte bei hochwertigen Handys oder Laptops gefragt. Gehäuse für den Heimwerkerbedarf und ,,Weiße Ware" kommen zum Anwendungsspektrum hinzu.Ein besonderer Grund für diese Entwicklung ist fraglos das Gewicht. So spart das Aluminiumauto par excellence, der Audi A 2, alleine bei der Karosserie rund 40% des Gewichtes durch konsequenten Leichtbau ein. Ein Vergleich von Motorblockgewichten in Gusseisen und Aluminium zeigt spätestens ab einem Hubraum von 3000 cm3 die deutliche Überlegenheit des Leichtbauwerkstoffes.Bei Geräten der Telekommunikation und Informationstechnologie kommen die abschirmenden Materialeigenschaften als Pluspunkt bei der Entscheidung für Leichtmetall hinzu.Dem Konstrukteur bieten die Leichtgewichte Alu und Magnesium eine Reihe von verfahrenstechnischen Vorteilen. Sie sind leicht zu vergießen und ermöglichen eine große Freiheit in der Formgebung. Komplexe Geometrien und die Integration verschiedener Funktionen in einem Bauteil sind realisierbar. Dies wiederum verstärkt die Tendenz zu unregelmäßigen, den Beanspruchungen angepassten Geometrien, die schließlich nur noch durch Gießverfahren herstellbar sind. Der Druckguss bietet dabei gegenüber anderen Gießtechnologien weitere Vorteile.Bei Kenntnis und Berücksichtigung seiner Besonderheiten sind erhebliche Materialreduzierungen und damit Gewichtseinsparungen möglich. Eine endkonturnahe Gestaltung, die Nachbearbeitungen spürbar reduziert, wird oft erst durch Druckguss machbar. Voll ausschöpfbar sind diese Vorteile jedoch nur, wenn von Anbeginn der Planung und Konstruktion eines Teils grundlegende Kenntnisse des Gesamtprozesses ,,Druckguss" in die Gestaltung und Formgebung einfließen. Dies beginnt im Idealfall bei den ersten FEM-Berechnungen, erstreckt sich über gießtechnische und werkzeugtechnische Anforderungen bis hin zur mechanischen Bearbeitung der Teile.Erforderlich ist dazu in der Regel eine enge Kooperation zwischen allen Beteiligten in der Prozesskette. Und da vor allem die Automobilindustrie verstärkt dazu übergeht nur noch Bauraum und Funktion vorzugeben und die Konstruktion des konkreten Teils immer stärker an Zulieferer zu delegieren, sind die Konstrukteure und Verfahrensspezialisten in Gießereien und Formenbaubetrieben in diesem gemeinsamen Prozess immer mehr gefragt.Gemeinsame prozessgerechte Gestaltung ist notwendigDie Notwendigkeit einer solchen Kooperation soll hier am Beispiel der Optimierung eines Magnesium-Lenkrads gezeigt werden. Sie wurde durchgeführt, weil im Herstellprozess zunächst mit hohen zweistelligen Ausschussraten gearbeitet wurde. Eine genaue Analyse zeigte, dass bereits die Teilekonstruktion nicht auf spezifische Anforderungen und Möglichkeiten des Magnesium-Druckgusses ausgerichtet war. So erforderte dieser Werkstoff eher einen Ring mit U-Profil statt dem zunächst realisierten Vollprofil.Durch die zu große Wandstärke verlief die Formfüllung nicht optimal. Vorerstarrungen führten zu nicht homogenen Nahtstellen und damit zu Brüchen bei den Teilen. Durch eine Gießmaschine mit höherer Dynamik und eine umfangreiche Änderung des Gießwerkzeugs konnten diese Mängel zum Teil ausgeglichen werden. Eine weitere Optimierung von Teil und Werkzeug auf Grundlage einer Füll- und Erstarrungssimulation führte schließlich zu befriedigenden Ergebnissen und zur Erreichung des Kostenziels in der Serienfertigung.Um nach möglichst kurzer Entwicklungszeit zu einer befriedigenden Anzahl von Gutteilen pro Stunde zu kommen und dabei die Zielkosten einzuhalten, ist es daher sinnvoll, bei der Teilekonstruktion die einzelnen Schritte vom ersten Entwurf bis zum einbaufähigen Teil im Auge zu behalten. Bereits die Auswahl des geeigneten Druckgießverfahrens bietet oftmals zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten oder neue Einsatzgebiete für Leichtmetall. Die Frage nach den grundsätzlichen Eigenschaften und Funktionen des Teils bestimmen somit Werkstoffauswahl und Gießverfahren. Dehnungseigenschaften, Schweißbarkeit oder E-Modul, die zulässige Porosität, die Oberflächenqualität und die Dichtheit des Teils sind Faktoren, die dabei berücksichtigt werden müssen.Hinreichend bekannt ist der konventionelle Aluminium-Druckguss mit dem Erfahrungspool eines halben Jahrhunderts. Die gute Verfügbarkeit an Legierungen einschließlich Sekundärlegierungen, die hohe Prozesssicherheit und verfügbare Anlagen machen ihn nach wie vor zum produktivsten und wirtschaftlichsten Verfahren, insbesondere für Teile mit hohen Stückzahlen und ohne extreme Anforderungen. Aus dem konventionellen Druckgießen entwickelten sich die weiteren Verfahren, die jeweils verschiedene spezifische Vorteile haben.Beim Magnesium-Druckguss liegen diese vor allem im Werkstoff, der eine Dichte von 1,8 aufweist und damit um ein Drittel leichter ist als Aluminium mit einer Dichte von 2,7. Magnesium hat zudem günstigere Fließeigenschaften als Alu, was extrem dünnwandige Teile und das Gießen von komplexeren Geometrien möglich macht. Der Wärmeinhalt von Magnesium ist zudem niedriger, wodurch sich in der Regel die Werkzeugstandzeiten verlängern. Berücksichtigt werden muss jedoch bei Werkstoffauswahl und Konstruktion, dass Magnesium eine niedrigere Verformbarkeit und ein geringeres Energieaufnahmevermögen und damit geringere Bruchdehnungswerte besitzt. Es ist korrosionsanfälliger als Aluminium und hat bei Wärmeeinflüssen eine schlechtere Kriechbeständigkeit.Zu unterscheiden sind mehrere innovative DruckgießverfahrenInnovative Druckgießverfahren sind des Weiteren der Vakuum-Guss, das Squeeze Casting und das Thixo-Casting. Vakuum-Gießen eignet sich insbesondere für dünn- bis mittelwandige Strukturbauteile im Automobilbau, die eine gute Schweißbarkeit, eine hohe mechanische Belastbarkeit und eine geringe Fertigungsstreuung aufweisen. Diese hohen Anforderungen setzen eine gute Gefügequalität voraus. Beim Vakuum-Gießen werden durch Luft-Evakuierung aus Gießkammer und Form hohe Unterdrücke erzeugt. Dadurch kann die Gasporosität der Teile auf ein Minimum reduziert und so hervorragende Materialeigenschaften erreicht werden. Da der Vakuum-Gießprozess bislang noch relativ kostenintensiv ist, bleibt er Teilen mit speziellen Anforderungen vorbehalten.Squeeze-Casting ist das Verfahren der Wahl bei dickwandigen Teilen mit hohen Dehnungs- und Festigkeitswerten, wie sie bei Sicherheitsteilen im Automobilbau gefordert werden. Besonderheit des Verfahrens, das auf gewöhnlichen Druckgießmaschinen zu realisieren ist, ist die Verwendung einer qualitativ hochwertigen Schmelze und einer an die Form angepasste Füllgeschwindigkeit, die in vielen Einzelschritten programmierbar ist. Dadurch ist ein dichtes, homogenes Gefüge erreichbar.Die Möglichkeiten der Gewichtsreduzierung eröffnen sich neuerdings bei einer Reihe von Teilen, die konventionell in Sandguss, Kokille oder Stahl hergestellt wurden, durch das Thixo-Casting, auch Semi-Solid Metal Casting (SSM) genannt. Dabei wird anstelle von flüssigem Metall Aluminium- oder Magnesiumlegierung in teilerstarrtem Zustand verarbeitet. Unter einer Scherwirkung während der Formfüllung verändert sich die Viskosität und es entsteht ein fließfähiges ,,thixotropes" Fest-Flüssig-Gemisch. Da diese laminare Füllung unter relativ niedrigen Drücken in die Form gepresst wird, können hier auch Kavitäten mit wechselnden dick- und dünnwandigen Partien einwandfrei gefüllt werden.Die Lunkerung auch dickwandiger Bereiche kann vermieden werden. SSM-Teile sind gasarm, schweiß- und wärmebehandelbar sowie druckdicht. Thixocasting eignet sich daher für hochbelastete Fahrwerks- und Sicherheitsteile wie Streben an Achsen oder Felgen. Ein großer Vorteil dieses modernen Gießverfahrens ist schließlich die Realisierung eines endkonturnahen Gießens (net shape), das die mechanische Bearbeitung der Teile auf ein Minimum reduziert.FEM-Berechnung, Simulation und BionikBereits bei der Auswahl des Gießverfahrens wird deutlich, dass die Geometrie der Werkzeugkavitäten von entscheidender Bedeutung für das Fließverhalten von Leichtmetall bei der Formfüllung ist. Dabei verschenken sich Konstrukteure oftmals Möglichkeiten einer weiteren Gewichts- und Materialreduzierung, die der Druckguss ermöglicht. Im schlechtesten Falle führt dies wie beim obigen Beispiel zu einer mangelhaften Formfüllung, zu Vorerstarrungen und Brüchen sowie zu Lunkerung, sprich zu Ausschuss. Vor allem bei der Umstellung eines Teils, zum Beispiel von Stahl- oder Sandguss auf Druckguss, werden oft gewohnte Geometrien übernommen, die dem Druckgussprozess nicht gerecht werden.Die häufigsten Schwachpunkte sind zu dicke Wandstärken und massive Partien, die eine Gefahr von Lufteinschlüssen mit sich bringen, die aber durch Rippen vermieden werden könnten. Ungleichmäßige Wandstärken sind ein weiteres Problem. Ein ideales Druckgussteil hat - wenn möglich - durchgängig gleiche Wandstärken. Auch Dome, zum Beispiel für Befestigungen, behindern den Fluss der Schmelze, ein Problem, das behoben werden kann, wenn die Ausbuchtungen mit Rippen verbunden werden.Scharfkantige Radien oder Geometrien, bei denen schmale Partien in dickwandige und dann wieder in dünne Bereiche übergehen, stören den Fluss der Schmelze erheblich und führen zu einer schlechten Formfüllung. Insbesondere Magnesium benötigt Rippenpartien beim Übergang von dünn- zu dickwandigen Bereichen, da sonst Spannungsrisse auftreten. Der Grund für diese Anforderungen ist zum einen die niedrige, an Wasser grenzende Viskosität der Leichtmetallschmelzen, die damit zu Wirbelbildungen neigen. Diese Schmelzen werden zudem mit hohen Drücken und Füllgeschwindigkeiten in die Form gepresst, um einer vorzeitigen Erstarrung vorzubeugen, die durch die großen Temperaturunterschiede zwischen Schmelze und Stahlform eintritt.Die Teile erlauben in der Regel durchaus eine Annäherung an diese Vorgaben, ja unter Umständen gewinnen sie sogar - durch geringeres Gewicht und eine höhere Stabilität, zum Beispiel durch Verrippung. Im Idealfall werden bereits erste FEM-Berechnungen angestellt, wenn die Funktion des Teils, Anbindungspunkte und Angaben zum Bauraum, die Anforderungen an Festigkeit und Eigenschaften zu einem ersten Entwurf des Teils geführt haben. Damit hat der Konstrukteur Angaben zu Spannungsverteilung und Festigkeit des Teils und kann erste Wandstärkenreduzierungen vornehmen.Ein NVH-Test (Noise-Vibration-Harshness) wird gegebenenfalls weitere Daten liefern, welche Strukturen des Teils zur grundlegenden Funktions- und Stabilitätssicherung unabdingbar sind. Liegt auf diesen Grundlagen ein erstes Datenmodell vor, kann durch eine Simulation des Fließ- und Erstarrungsverhaltens bereits festgestellt werden, wo Wandstärken ohne Verlust von Stabilität und Funktionalität reduziert werden können, wo Verrippungen zu besseren Materialflüssen führen oder wo der Gefahr von Lufteinschlüssen begegnet werden muss.Bionik wird in Zukunft die Gusstechnik mitbestimmenDie Zukunft des Konstruierens wird darüber hinaus sicher von Bionik-Modellen bestimmt, die heute bereits in Forschungseinrichtungen von Universitäten und in den Vorentwicklungen von Automobilherstellern zum Einsatz kommen. Dabei werden Erkenntnisse aus biologischen Systemen auf Konstruktion und Stabilitätsberechnungen angewandt, mit dem Ziel eine weitestgehende Reduzierung von Material bei gleichzeitiger Optimierung der Funktionalität und Qualität des Teils zu erreichen.In mehreren Iterationsschleifen werden Bionik-Modeller, NVH-Tests und Füll- sowie Erstarrungssimulation die Konstruktionsdaten überprüfen und modifizieren helfen. Bionik-Systeme liefern Vorschläge, wo funktionsloses Material eingespart oder durch Rippen sowie Verstärkungen eine bessere Kräfteverteilung erreicht werden kann. Die Ergebnisse solcher Berechnungen haben bereits zu Konstruktionen geführt, bei denen durch Rippen eine Verbesserung der Kräfteaufnahme des Teils erfolgte, so dass beim Werkzeug auf Schieber verzichtet werden konnte.Damit ist man auch schon beim nächsten Abschnitt der Prozesskette, bei der Werkzeugtechnologie. Auch hier führt die Nichtberücksichtigung spezifischer Formenbauanforderungen immer wieder zu Problemen. Vor allem die Entformbarkeit muss zu Beginn der Teilekonstruktion in die Überlegungen einbezogen werden. Hinterschnitte oder ungenügend durchdachte Entformschrägen führen zu aufwändigen und störungsanfälligen Werkzeugen, im schlimmsten Fall zur Notwendigkeit, die Form zu verschrotten und die Teilegeometrie völlig neu aufzubauen.Auch die Sichtbereiche eines Teils bedürfen schon während der Bauteilkonstruktion besonderer Beachtung. So sollten in sichtbaren Partien keine Formtrennungen verlaufen, kein Anguss gelegt werden und Auswerferaugen vermieden werden. Die Auswerferpositionen haben zudem Auswirkungen auf die Lage der Kühlungen in der Form. Auch die Vermeidung von Schiebern ist ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion, da jeder Schieber ein potentieller Störfaktor im Gießprozess darstellt. Der Schieber wird durch Druck und Bewegung beansprucht und unterliegt axialen Belastungen durch die Strömung der Schmelze. Besonders bei dünnen Partien zeigen Schieber hohe Abnützungen.Sie sind schlecht zu kühlen, sind störanfällig an der Schiebertrennung und müssen entsprechend häufig ausgetauscht werden. Die werkzeugtechnischen Feinheiten und Tücken vollständig in die Konstruktion eines Teils einzubringen, kann sicher nicht die Aufgabe des Konstrukteurs sein. Es zahlt sich jedoch bei den Kosten für das Druckgusswerkzeug, beim Gießprozess selbst und bei der Qualität der Teile aus, wenn hier im frühen Stadium der Teile-Entwicklung entsprechendes Know-how eingeholt wird und eine enge Kooperation zwischen Konstrukteur und Formenbauer den gesamten Entwicklungsprozess begleiten.Kooperation und Simultaneous EngineeringBetrachtet man die Anforderungen an die Konstruktion von Druckgussteilen aus der Perspektive des Gesamtprozesses, so sind diese sicher sehr hoch und komplex. Die Vorteile eines solchen Herangehens liegen jedoch auf der Hand: Es führt zu einer guten Teilequalität, zu einer hohen Zahl an Gutteilen pro Stunde und einer entsprechenden Verringerung von Ausschuss. Die Standzeiten der Werkzeuge erhöhen sich. Die Gesamtanlageneffizienz (GEA) wird gesteigert. Alle bisherigen Erfahrungen zeigen eindeutig, dass die Investition in Vorleistungen, wie zum Beispiel in Füll- und Erstarrungssimulationen oder Machbarkeitsstudien, sich unterm Strich auszahlen und zu befriedigenden Kostenstrukturen führen.Ein weiterer Aspekt sind die Produktentwicklungszeiten. Sie haben sich in den letzten Jahren nicht selten halbiert. Fehler in der Konstruktion, die im weiteren Produktionsprozess zu aufwendigen Korrekturen führen, kann sich niemand mehr leisten. Notwendig ist daher eine gute und effektive Zusammenarbeit aller Beteiligten.