Herstellung hochwertiger Salzkerne durch Warmkammer-Druckgießen

Das Druckgießen von Nichteisenmetallen wie Zink, Aluminium oder Magnesium zeichnet sich durch hohe Produktivität sowie exzellente Qualität der erzeugten Bauteile aus. Eine der verfahrensbedingten Schwachstelle des Verfahrens war bisher, dass es keine Möglichkeit gab, komplexe innere Hohlräume mithilfe verlorener Kerne abzubilden (Bild 1). Die vom Sand- und Kokillengießen her bekannten und bewährten Sandkerne halten den extremen Beanspruchungen des Druckgießprozesses nicht stand. Die Herstellung von Salzkernen durch Kaltkammer-Druckgießen führte bisher nicht immer zum gewünschten Erfolg. Als Alternative empfiehlt sich das Warmkammer-Druckgießen.


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Bild 1
Verlorene Kerne eignen sich insbesondere für Gussteile für Strömungsmaschinen wie Pumpen, Krümmer, Armaturen oder Motoren.

„Für viele industrielle Einsatzbereiche ist das Druckgießen das bei weitem produktivste und wirtschaftlichste Verfahren für die Herstellung komplexer und auch dünnwandiger hochqualitativer Bauteile aus Zink, Aluminium oder Magnesium“, weiß Dipl.-Ing. (FH) Helmar Dannenmann, Leiter Produkt- und Geschäftsplanung der Oskar Frech GmbH + Co. KG in Schorndorf. Das Unternehmen ist Hersteller von Warm- und Kaltkammerdruckgießmaschinen. Zu den wichtigen Vorteilen des Druckgießens gehören neben der überlegenen Produktivität auch die hohe Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit der Gussteile. Zudem ist das Verfahren dank moderner Steuerungen sowie fortschrittlicher Schmelz- und Gießtechnologie, Entlüftung und Temperierung der Form sowie des präzisen Auftrags von Formsprüh- und Schmierstoffen sehr gut beherrschbar. Das gleichbleibend hohe Qualitätsniveau erlaubt den Einsatz der Gussteile auch in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen.

Beschränkungen im Bereich der Kerntechnologie

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Bild 2
Vorbild: Aufwendiger Sandkern mit anspruchsvoller dreidimensional variierender Geometrie für eine Sandgießform.

„Trotz dieser Vorteile gab es bisher wichtige Anwendungsbereiche, in denen das Druckgießen von Nichteisenmetallen nur begrenzt eingesetzt werden konnte“, ergänzt Dannenmann. Dies betrifft vor allem Bauteile mit aufwendigen inneren Hohlräumen wie zum Beispiel Zirkulationskanälen für Kühl- oder Schmiermedien (Bild 2). Dazu gehören beispielsweise Teile für Strömungsmaschinen wie Pumpen, Krümmer und Armaturen oder Gehäuse und Filter ebenso wie Motorbauteile.

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Bild 3
Der in einer Schulungsform für ein „Mobiltelefon“ erzeugte dünnwandige Salzkern zeigt die hohe Genauigkeit, mit der selbst filigrane Details abgebildet werden können.

Andere Anwendungsbeispiele sind Gussteile, die zwecks Gewichtsoptimierung innenliegende Hohlräume aufweisen. Bei den konkurrierenden Verfahren Sand- und Kokillengießen werden derartige hohle Strukturen üblicherweise mithilfe von verlorenen Kernen aus Formstoffen auf Sandbasis erzeugt. Diese werden von der Schmelze weitgehend umschlossen. Der Binder dieser Kerne zerfällt nach dem Gießen teilweise, so dass sie sich mithilfe geeigneter Verfahren vergleichsweise einfach quantitativ entfernen lassen.
Beim Druckgießen ist die Verwendung solcher Sandkerne dagegen wegen der extremen Beanspruchungen durch die mit hoher Geschwindigkeit und entsprechendem Druck in die metallische Dauerform gepressten Schmelze nicht möglich. Bei einfacheren Hohlraumgeometrien wird mit geradlinigen metallischen Kernen gearbeitet. Für den Konstrukteur bedingt dies jedoch erhebliche Einschränkungen der ihm zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade. Aus diesem Grund sucht man schon lange nach Materialien und Herstellverfahren für hochwertige verlorene Kerne (lost core), welche den beim Druckgießen auftretenden Beanspruchungen widerstehen. Die meisten Verfahren konnten sich jedoch nicht etablieren. Lediglich die Salzkerntechnologie kommt inzwischen häufiger zum Einsatz (Bild 3). Ihre Vorteile sind maßliche Genauigkeit, hohe Festigkeit, gute Entformbarkeit sowie sehr glatte und somit strömungsgünstige Oberflächen der damit geformten Fließkanäle. Für die Herstellung der Salzkerne setzt man ebenfalls auf das Druckgießverfahren.

Bisherige Herausforderung der Salzkernherstellung

„Im Praxiseinsatz gibt es bei der Herstellung von Salzkernen durch Druckgießen allerdings diverse Herausforderungen“, verrät Dannenmann. Zum Einsatz kamen dabei meist Kaltkammer-Druckgießmaschinen. Die Ergebnisse stellten jedoch nicht immer zufrieden. Zu den wichtigsten Hemmnissen gehört die hohe Volumenschwindung des Salzes bei der Erstarrung. Dadurch kommt es teils im Inneren der erzeugten Kerne zu vielen Lunkern. Diese Lunker, deren Form und Größe nicht mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden kann, schwächen die Struktur in erheblichem Umfang, sodass es beim Druckgießen des eigentlichen Leichtmetall-Gussteils zum Bruch und zur nachfolgenden Infiltration des Kerns kommen kann. Die Folgen können gravierend sein, vor allem dann, wenn sich einige kleinere Bruchstücke ablösen und ins Gussteil geschwemmt werden. Dort verursachen sie dann versteckte Fehlstellen, die sich unter Umständen nur mit erheblichem Aufwand finden lassen.
Als weiteres Problem der Salzkernherstellung erweist sich der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient des erstarrten Salzes. Dadurch bilden sich im abkühlenden Kern an solchen Stellen, an denen die Schwindung durch formgebende Bestandteile der metallischen Dauerform behindert wird, starke Spannungen aus, die zur Rissbildung führen können. Man hat zwar versucht, dies unter anderem durch Einsatz von Salzmischungen mit geringerer Schwindung in den Griff zu bekommen, doch bleibt das Phänomen sowohl bei der Erstarrung als auch bei der weiteren Abkühlung im festen Zustand ein Schwachpunkt.

Warmkammer-Druckgießen als Alternative

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Bild 4
Ein im Warmkammerverfahren produzierter Salzkern-Einleger für die Herstellung eines Aluminiumdruckgussteiles mit medienführenden innenliegenden Kanälen.

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Bild 5
Die im Frech-Technikum für die Herstellung von Salzkernen eingesetzte Warmkammer-Druckgießmaschine.

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Bild 6
Elektrisch beheizbare Angussdüse für die Salzkernherstellung. Separate Heizkreise sowie Thermosensoren sorgen für die präzise Einhaltung der gewünschten Temperaturniveaus.

„Für die Salzkernherstellung haben wir deshalb alternativ auf die Vorteile des Warmkammer-Druckgießverfahrens gesetzt“, freut sich Dannenmann (Bild 4 und Bild 5). Zu den wesentlichen Vorteilen des Warmkammersystems zählen das kleinere Luftvolumen und die weitgehende Vermeidung einer Randschalenbildung im Gießsystem als Folge von dessen homogener Temperierung. Ebenfalls positiv wirken sich auch der Entfall von Kolbenschmierstoffen samt den damit verknüpften Gasbildungsrisiken, die geringeren Gießdrücke sowie die kurzen Zykluszeiten aus.
Im Rahmen einer partnerschaftlichen Entwicklung habe man diese Technologie gemeinsam mit einem industriellen Abnehmer von anspruchsvollen Leichtmetall-Gussteilen intensiv vorangetrieben. Aufgrund der hohen Schwindung ist es wichtig, dass die Schmelze mit einem möglichst geringen Temperaturüberschuss in die Form gelangt. Beim Kaltkammerverfahren ist dies nicht so einfach möglich, weil die Salzschmelze erst in die „kalte“ Presskammer gefüllt und von dort über ein Gießkanalsystem bis in den Formhohlraum gefördert wird. Im Unterschied dazu steht die Schmelze beim Warmkammer-Druckgießprozess dank der beheizten Düse flüssig auf dem gewünschten Temperaturniveau direkt an der Form an (Bild 6). Dadurch sind die Temperaturverluste geringer, sodass es nicht zur Randschalenbildung im Gießsystem kommt. Zudem vermeidet man auf diese Weise auch das Ablösen bereits erstarrter Schalenbruchstücke, die mit der Schmelze mitgeschwemmt werden und im gegossenen Salzkern landen, wodurch es zu Oberflächendefekten sowie versteckten Schwachstellen kommen kann.

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Bild 7
Das Temperaturniveau bei der Herstellung von Salzkernen ist gegenüber der Verarbeitung von Magnesium um circa 60 K höher.

Eine besonders hohe Oberflächenqualität der im Warmkammer-Druckgießverfahren erzeugten Salzkerne ist wiederum Voraussetzung für die Herstellung von Alu-Gussteilen mit feinen Oberflächendetails wie Logos, Beschriftungen oder innenliegenden Verzahnungen (Bild 7).

Hohes Qualitätsniveau der Salzkerne

„Darüber hinaus bietet das Warmkammerverfahren noch weitere Vorteile bezüglich der Verbesserung von Qualität und Festigkeit der erzeugten Salzkerne“, erläutert Dannenmann. Das beginnt mit der präzisen und konstanten Schmelzendosierung sowie der wesentlich besseren Temperaturkontrolle durch Einsatz von elektrisch statt wie bisher mit Gas beheizten Einspritzsystemen. Zudem erfolgt die Formfüllung mit sehr geringen Kolbengeschwindigkeiten bis herab zu 0,1 bis 0,2 m/s und geringen Drücken im Bereich von etwa 200 bar. Die eigentliche Füllung der Form kann zudem erheblich durch einen an den Formhohlraum angelegten Unterdruck unterstützt werden und erfolgt dadurch sehr gleichmäßig und turbulenzarm. Mithilfe einer Einrichtung erkennt das hierfür entwickelte Vakuumsystem zudem den Zeitpunkt, an dem die fortschreitende Formfüllung zur Unterbrechung des Schmelzennachschubs führt. Dieses Signal löst dann den wichtigen abschließenden Druckaufbau aus, der zur möglichst hohen Verdichtung des erstarrenden Salzkerns führt.
Diese präzise Erkennung des Zeitpunkts, an dem die Erstarrung ihr Schlussstadium erreicht, ist zudem die Voraussetzung für eine schnelle Entformung des fertig erstarrten Salzkerns, bevor es zur Rissbildung durch den Aufbau von Zugspannungen an schrumpfungsbehindernden Formpartien kommt. Die Entformung erfolgt so schnell, dass hierbei der noch weitgehend flüssige Inhalt der Angussdüse abgesaugt wird. Bei Kaltkammermaschinen wäre dies wegen des massiven Angusses teilweise gar nicht möglich.
Dank dieses Bündels von Maßnahmen übertreffen die so hergestellten Salzkerne die Erwartungen. Der Kooperationspartner des Entwicklungsprojekts hat sie im eigenen Prüflabor untersucht. Im Vergleich zu Kernen, die im Kaltkammer-Druckgießverfahren hergestellt wurden, können sie ein um bis zu Faktor 5 höheres Festigkeitsniveau aufweisen. Auch die Anforderungen bezüglich Beherrschbarkeit des Prozesses werden erfüllt.

Weitere Vorteile

„Im Zusammenhang mit diesem Projekt wurden diverse Funktionen des Warmkammerverfahrens neu entwickelt und erstmals in diesem Zusammenhang eingesetzt“, sagt Dannenmann. So musste zum Beispiel das Warmkammersystem für höhere Einsatztemperaturen bis circa 700 °C ertüchtigt werden. Dies brachte die Anlage anfänglich an ihre Grenze und erforderte den Einsatz von alternativen Werkstoffen mit höherer Temperaturbeständigkeit sowie diverse Anpassungen des Warmkammer-Gießaggregats.

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Bild 8
Der Einsatz des Frech Gießlauf Systems (FGS, unten) ermöglicht im Vergleich zum üblichen langen Anguss- kegel nebst massiven Gießläufen (oben) eine erhebliche Verringerung des Materialeinsatzes und damit des Kreislaufanteils.

Auch stellte sich heraus, dass die „klassischen“ Salze für die Herstellung von Salzkernen nicht die optimale Wahl waren. Bessere Ergebnisse ließen sich durch Einsatz von Mischungen aus unterschiedlichen Salzen erzielen. Darüber hinaus konnte im Rahmen der Versuche auch die Eignung von Komponenten des bewährten Frech-Gating-Systems, kurz FGS genannt (Bild 8), für den Einsatz bei der Salzkernherstellung nachgewiesen werden. Hierbei kommt statt des herkömmlichen Warmkammer-Gießkolbensystems eine spezielle Kolbenversion zum Einsatz. Damit lässt sich die extrem dünnflüssige und heiße Salzschmelze optimal im Gießprozess handhaben beziehungsweise dosieren. Bei der Herstellung von hochqualitativen „lost core“-Salzkernen kann das Warmkammer-Druckgießverfahren so seine bewährten und bekannten Vorteile einbringen.

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Kontakt:
Oskar Frech GmbH + Co. KG
Schorndorfer Straße 32
73614 Schorndorf
www.frech.com