Motorblöcke aus einem Guss

Aluminium-Niederdruckgießen gewinnt in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung. Gerade im Automobilbereich, wo neben der Gewichtsreduzierung auch auf höchste Qualitäts- und...

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Aluminium-Niederdruckgießen gewinnt in der Automobilindustrie zunehmend an BedeutungGerade im Automobilbereich, wo neben der Gewichtsreduzierung auch auf höchste Qualitäts- und Sicherheitsstandards besonders Wert gelegt wird, gewinnt das Aluminium-Niederdruckgießverfahren zunehmend an Bedeutung. Der Kreuzwertheimer Maschinenbauer Kurtz kann dabei auf eine vieljährige Erfahrung zurückblicken. So ist es dem Unternehmen gelungen, sich als Spezialanbieter für Aluminium-Niederdruckgießanlagen zu etablieren. Doch wo liegen die spezifischen Unterschiede des Nie-derdruckgießens im Vergleich zum Druckgießen? Bei der Betrachtung stehen Motorblöcke und Fahrwerkskomponenten für die Automobilindustrie im Mittelpunkt.Vergossenes Aluminium gewinnt, speziell bei hochpräzisen und komplizierten Produkten, immer mehr an Bedeutung. Allein in Europa werden jährlich mehr als zwei Millionen Tonnen Aluminium verarbeitet. In Deutschland stieg die Gesamttonnage vom Januar 2002 zum Januar 2003 um rund 9%. Bei der Suche nach den Gründen für dieses Wachstum wird man sehr schnell fündig, wenn man die Hauptabnehmerbranchen betrachtet. Neben dem Maschinenbau mit rund 6% Anteil gehen in etwa 76% des vergossenen Leichtmetalles in den Bereich Verkehrsmittel, (Quelle: Statistik des GDM, Gesamtverband Deutscher Metallgießereien). Der Rückgang bei Neuzulassungen von Kraftfahrzeugen im Inland sowie auch ein immer noch unbefriedigender Automobilexport kann hierbei durch die Vielzahl von Neukonstruktionen im Leichtmetallguss mehr als ausgeglichen werden. Die Gründe liegen vor allem im geringeren Gewicht und den damit verbesserten Energiekosten. Jedoch überzeugt Aluminium auch durch verbesserte mechanische und physikalische Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit sei hier nur beispielhaft erwähnt. Speziell durch die Entwicklung immer neuer Legierungen – im Verbund mit weiterentwickelten Produktionsverfahren – wächst das Einsatzspektrum somit exponentiell.Wurden zum Beispiel im Automobilbereich klassischerweise in erster Linie Felgen aus Aluminium gegossen, ist der Werkstoff auch bei Fahrwerks- oder Motorkomponenten nicht mehr wegzudenken. Der Wandel vom Grauguss zum Aluminiumguss begann in diesem Bereich bereits in den 70er Jahren. Beim Zylinderkurbelgehäuse, auch Motorblock genannt, kann durch den Werkstoffwechsel ein Massereduzierungspotenzial von 40 bis 55% aktiviert werden. Bei einem 8-Zylinder V-Motorblock, beispielsweise für einen Dieselmotor mit 4 Litern Hubraum, werden so rund 70 kg eingespart.Niederdruckgießverfahren für hohe AnsprücheDas Niederdruckgießverfahren erweist sich als prädestiniert für die Umsetzung der äußerst hohen Qualitätsansprüche der Automobilindustrie. Dieses Verfahren sichert bei gussgerechter Konstruktion eine gelenkte Erstarrung und damit ein porenfreies Gefüge. Beim Niederdruckgießen wird der Ofen druckbeaufschlagt, wobei das flüssige Aluminium über ein vertikales Steigrohr in die Kokille gebracht wird. Diese wird hierdurch langsam steigend durch kontrollierten und vor allem auch gleichmäßigen Druck gefüllt. Ein turbulenzarmes Füllen, das die Gefahr von Lufteinschlüssen (Lunkern) minimiert, ist somit gewährleistet. Die Erstarrung läuft dann vom entferntesten Punkt zum beheizten Anguss, wobei durch eine zeitlich gesteuerte Formkühlung das Ideal der gerichteten Erstarrung nahezu erreicht werden kann. Eine zusätzliche Verbesserung des Gefüges erreicht man durch Nachdrücken (Dichtspeisen) der flüssigen Schmelze. Voraussetzung für einen gleichmäßigen Druck und eine optimale Formkühlung ist natürlich eine maximale Prozesssicherheit, die über die Drucksteuerung, das Herzstück des Niederdruckgießens, sichergestellt wird.Die Drucksteuerung ist das Herz des NiederdruckgießensDruckschwankungen führen zum Pendeln der Metallsäule in der Form. Eine schwankende Metallsäule wiederum führt in Werkstücken zu Einschlüssen von Randschalenflittern, zur Bildung von Kaltläufen und ist damit gleichbedeutend mit Ausschuss. Um Bauteile mit unterschiedlichen Wandstärken optimal gießen zu können, sind verschiedene Formfüllgeschwindigkeiten anzustreben.Weiterhin sind bei geschlossenen Kokillen so genannte Sprünge beim Wechsel der Druckanstiegsgeschwindigkeit während des Füllvorganges üblicherweise nicht sichtbar und damit unbekannt. Beim Niederdruckgießen in offenen Formen wird der Einfluss unterschiedlicher Drücke, also der Druckschwankungen, beim Formfüllen jedoch deutlich. Denn, im Gegensatz zu geschlossenen Kokillen, die durch unterschiedliche Entlüftungsbedingungen einen Gegendruck während der Formfüllung erzeugen, liegt der Metallspiegel beim Gießen in Kernpakete offen und reagiert somit auf kleinste Druckänderungen.Eine Drucksteuerung mit Proportionalventiltechnik bietet sanfte Übergänge bei unterschiedlichen Anstiegsgeschwindigkeiten. Dadurch wird die Qualität des Gießprozesses deutlich verbessert. Die Echtzeit-Visualisierung aller Prozessparameter via LCD-Display, eine permanente Betriebsdatenerfassung und damit eine ISO-konforme Reproduzierbarkeit ist selbstverständlich, die Mobilität der Drucksteuerung kann als zusätzliches Feature betrachtet werden. Beim Aluminium-Niederdruckgießverfahren können übereutektische Legierungen, beispielsweise AlSi17, verwendet werden. Diese ermöglichen durch die Ausscheidung von Silizium, das sich als kleine an der Oberfläche freiliegende Körner zeigt und als Traggerüst für die Laufpartner Kolben und Kolbenringe dient. (Quelle: Presseinformation der KS ATAG).Somit ist ein Motorgehäuse aus einem Guss möglich, das wiederum äußerst kompakte Konstruktionen mit minimierten Stegabständen sicherstellt. Zusätzlich überzeugen im Niederdruckguss hergestellte Motorblöcke durch ihr extrem dichtes und lunkerfreies Gefüge.Wirtschaftlich und technisch betrachtet gibt es für Hochleistungsmotoren wie einen V 8-Motorblock bei einem Ziel von 100000 Einheiten pro Jahr alternativ kein besseres Verfahren als das Niederdruckgießen - so der Tenor eines bekannten deutschen Automobilherstellers.Beim Vergleich von Niederdruck- zum Druckguss fällt, neben den deutlich besseren Gefügeeigenschaften des Niederdruckgießens, das unterschiedliche Investitionsvolumen deutlich ins Gewicht. Eine Investition in eine V-Gießzelle für einen 8-Zylinder-Motorblock beträgt, inklusive Werkzeug und Ersatzwerkzeug, bei einer Druckgussanlage rund sieben bis acht Millionen Euro. Die Investitionssumme für eine Niederdruckgießanlage beläuft sich hingegen lediglich auf zwei bis zweieinhalb Millionen Euro. Beim Vergleich von Niederdruck- zu Kipp- oder Schwerkraftgießverfahren bei Fahrwerksteilen ist zwar die An- lageinvestition in eine Niederdruckanlage höher, die laufenden Kosten sind aber wesentlich geringer. Beispielsweise kann der Anteil an Kreislaufmaterial deutlich verringert werden. Somit sind die Folgekosten, man denke nur an die Energiekosten für das Wiedereinschmelzen oder die Putzkosten für das Gussteil, niedriger. Da beim Niederdruckgießen, wie bereits erwähnt, die Gefügeeigenschaften deutlich besser sind als beim klassischen Druckguss, wird dieses Verfahren auch verstärkt für sicherheitsrelevante Teile wie beispielsweise Radträger oder Querlenker angewandt.Neben den Standard-Anforderungen der Serienproduktion hat sich Kurtz in den letzten Jahren auch auf den Bereich des Rapid Prototypings sowie auf das komplette Engineering von Spezialmaschinen, wie sie in der Großserienproduktion wie beispielsweise für Motorblöcke zum Einsatz kommen spezialisiert.