Jahresübersicht 2013

JAHRESÜBERSICHT
Gießtechnik im
Fahrzeugbau (6. Folge)
Auch wenn der E-Motor aktuell
boomt, bleibt der Verbrennungsmotor
nach wie vor auf absehbare
Zeit wohl der wichtigste
Antrieb.
Foto: soschinski/BDG
VON CHRIS REHSE, STEFAN SCHARF
und CHRISTIAN KRUTZGER, Magdeburg
Die gesetzlich reglementierte Limitierung
der im Flottenverbrauch
ausgestoßenen CO 2 -Emissionen
stellt eine der größten Herausforderungen
in der globalen Fahrzeugindustrie dar. In
Kombination mit höheren Kundenerwartungen,
einer verschärften Situation der
Energie- und Kraftstoffverfügbarkeit sowie
einem generell gesteigertem Umweltbewusstsein
ergibt sich in der Aggregation
ein sehr herausforderndes Handlungsfeld
mit nur schwer zu vereinbarenden Zielen.
Gleichzeitig wirken sich diese Restriktionen,
wie keine anderen staatlich vorgegebenen
Maßgaben zuvor, äußerst positiv
und nachhaltig auf die Entwicklung innovativer
Technologien zum effizienteren Antrieb
moderner Fahrzeuge aus. In immer
kürzer werdenden Zyklen präsentieren die
OEMs Lösungen, die bis vor kurzer Zeit
noch undenkbar waren oder aber als nicht
finanzierbar galten. Durch die zahlreichen
Innovationen oder Weiterentwicklungen
in der Motorentechnologie sowie in der
Fertigungstechnik laufen Verbrennungsmotoren
heutzutage so sparsam, so sauber
und so effizient wie nie zuvor. Neben der
Entwicklung leistungsoptimierter und effizienter
Motoren beeinflussen zugleich die
Hybridisierung und Elektrifizierung des
Antriebsstrangs als offenbar CO 2 -neutrale
Lösung zunehmend die Fahrzeugbranche
[1], [2].
Auch diese Entwicklungen dürfen nicht
außer Acht gelassen werden und stellen
wiederum gänzlich neue Anforderungen
an die Fertigungstechnik. Aus diesem
Grund wird in der nunmehr 6. Folge der
Jahresübersicht „Gießtechnik im Fahrzeugbau“
auch ein verstärkter Fokus auf die
gießtechnologischen Entwicklungen im
Fahrwerksleichtbau gelegt.
Doch auch wenn der E-Motor aktuell
boomt und in der Wahrnehmung der breiten
Bevölkerung demnächst serienreif zu
48 Giesserei 100 07/2013

sein scheint, bleibt der Verbrennungsmotor
nach wie vor auf absehbare Zeit wohl
der wichtigste Antrieb. Dies wurde auch
auf den einschlägigen Fachtagungen (83.
Internationaler Autosalon Genf, Wiener Motorensymposium,
VDI-Tagung „Gießtechnik
im Motorenbau“, 8. MTZ-Fachtagung „Der
Antrieb von morgen“), auf denen hauptsächlich
neue Konzepte zur Optimierung
des Verbrennungsmotors – entweder als
alleinige Antriebsquelle oder als Hybrid-
Technologie präsentiert wurden, deutlich
[3] bis [6].
Doch unabhängig davon, wie der Antrieb
der Zukunft aussehen wird, bleibt
aus fertigungstechnischer Sicht vor allem
die Erzeugung leichter und dennoch hochfester
Bauteile als avisiertes Entwicklungsziel
bestehen. Um den gegebenen Herausforderungen
auf dem Weg zur Erschließung
neuer Potentiale für kommende Fahrzeuggenerationen
gerecht zu werden, ist dabei
laut S. Knirsch [7] und E. Flender [8] eine
engere Vernetzung sowohl zwischen industrieller
und wissenschaftlicher Forschung
als auch zwischen Fahrzeugentwicklung
und Fertigungstechnik unabdingbar. Hier
stehen im Wesentlichen die Entwicklung
neuer, auf den spezifischen Anwendungsfall
optimierter Werkstoffe und Legierungen,
die exakte Prognose und Bestimmung
der im realen Bauteil vorliegenden lokalen
Werkstoffbeanspruchungen sowie die
Einhaltung höchster Qualitätsanforderungen
unter dem Aspekt einer sowohl ökologisch
als auch ökonomisch nachhaltigen
Produktion im Fokus der Forschung, um
den zukünftig prognostizierten Bauteilbelastungen
standzuhalten und die Fahrzeugentwicklung
weiter voranzutreiben.
Neben der fast schon als selbstverständlich
erscheinenden Einhaltung höchster
Qualitätsanforderungen von immer komplexer
werdenden Gussbauteilen rücken
vor dem Hintergrund der prognostizierten
Verschiebung der Absatz- und Produktionsmärkte
zusätzlich sowohl eine kontinuierliche
Optimierung der Fertigungsbedingen
hinsichtlich Kosten und Ausbringung,
als auch eine stetige Steigerung der Energie-
und Materialeffizienz in den entwicklungstechnischen
Fokus.
Die vorliegende Jahresübersicht soll in
diesem Zusammenhang die maßgeblichen
Innovationen aus den Bereichen Motorenbau,
Fahrwerks- und Karosseriebau, Fertigungsverfahren,
Werkstoffentwicklung
und Qualitätssicherung beleuchten.
Trends und konstruktive
Neuheiten im Motorenbau
Mit dem Ziel der Standardisierung sowie
der Möglichkeit, eine weltweite Motorenproduktion
zu gewährleisten, wurde von
R. Szengel u. a. [9] das von der Volkswagen
Bild 1:
Zylinderkopf mit
integriertem Abgaskrümmer
[9].
AG eingeführte Prinzip des modularen
Querbaukastens für Ottomotoren am Beispiel
der neuen Motorvariante EA211 präsentiert.
Die Anforderungen an diese Neukonstruktion
zielen gemäß den Autoren im
Wesentlichen auf eine kompaktere Bauweise,
eine Reduzierung des Motorgewichts
und der damit verbundenen Reduzierung
von Verbrauch und Emissionen sowie eine
Vereinheitlichung der Einbaulage ab. Kennzeichnend
für die Motoren dieser Baureihe
sind die Anwendung der Vierventiltechnik,
der Antrieb der Nockenwelle über
Zahnriemen sowie die Anwendung eines
Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses. Als
weiteres Charakteristikum wird im Beitrag
die Integration des Abgaskrümmers (Bild 1)
in den Zylinderkopf bereits beim Gießvorgang
hervorgehoben. In dieser Bauweise
fungiert der Abgaskrümmer als wirksamer
Wärmetauscher und sorgt so während des
Warmlaufs des Motors zum einen für eine
schnelle Aufheizung desselben und zum
anderen für eine komfortable Erwärmung
des Fahrzeuginnenraums. Im Volllastbereich
erfahren die Abgase hingegen eine
Temperaturabsenkung um 100 K, sodass
der Kraftstoffverbrauch in diesem Bereich
um 20 % gesenkt werden kann. Im Vergleich
mit den konventionell extern an den Zylinderkopf
angeflanschten Abgaskrümmern
können die Wandwärmeverluste infolge der
geringeren Strömungswege der Abgase
deutlich reduziert und der Motor somit insgesamt
effizienter betrieben werden. Die
Fertigung des Zylinderkopfes erfolgt im Kokillengießverfahren
unter dem Einsatz der
Legierung AlSi10Mg(Cu) mit zusätzlicher
Wärmebehandlung. Wie im Beitrag weiter
ausgeführt, wird das im Gegensatz zur Vorgängervariante
der Motoren für die EA111-
Reihe nochmals steifere Zylinderkurbelgehäuse
in der aktuellen Generation unter
Verwendung des Druckgießverfahrens aus
Aluminium gefertigt. Die Einsparung aus
der Substitution des zuvor aus Gusseisen
mit Lamellengraphit gefertigten Motorblocks
durch Aluminium beträgt 16 kg, sodass
ein Nettogewicht von 19 kg erreicht
wird. Lediglich die Zylinderlaufbuchsen bestehen
noch aus EN-GJL-250. Sie werden
an den Außenflächen zur Verankerung mit
dem Aluminiumgehäuse mit einer rauen
Gussoberfläche versehen und an den Innenflächen
in vier Stufen fluidstrahl-gehont.
Durch die optimierte Konstruktion
der Motoren lässt sich, verglichen mit der
EA111-Variante, eine Kraftstoffeinsparung
im NEFZ (Neuer Europäischer FahrZyklus)
von 8 bis 10 % erreichen. Die neuen Motoren
stehen in der TSI-Variante von 1,2 bis
1,4 l mit konventionellem Benzin sowie in
der 1,4 l-Variante zusätzlich als Hybrid zur
Verfügung; die Leistung reicht von 63 kW
(1,2 l) bis 110 kW (1,4 l Hybrid).
Ein weiterer Ansatzpunkt zur Leistungssteigerung
von Verbrennungsmotoren, den
die BMW AG verfolgt, wird von T. Eidenböck
u. a. [10] beschrieben. So werden seit
dem Jahr 2004 Sechszylinder-Dieselaggregate
zweistufig aufgeladen. Dieses System
der Doppelaufladung, bestehend aus einem
kleinen für geringe Luftmassen ausgelegten
sowie einem größeren für höhere Luftmassen
ausgelegten Turbolader, gelangt
jedoch bei gesteigerten Ladeluftdrücken
an seine Grenzen. Zur Lösung des Problems
wurde im neuen Sechszylinder-Dieselmotor
ein Aufladesystem, bestehend aus
einer Niederdruck- und einer Hochdruckstufe,
eingeführt, wobei letztere durch zwei
parallel angeordnete kleine Hochdruckstufen
realisiert wird. Die Anhebung des Spitzendruckniveaus
ist verbunden mit einer
erhöhten Abgastemperatur, sodass eine
neue Werkstoffauswahl getroffen werden
Giesserei 100 07/2013 49

JAHRESÜBERSICHT
muss und eine optimierte Konstruktion erforderlich
ist. Hinsichtlich des für den einteiligen
Abgaskrümmer verwendeten Gusseisens
mit Kugelgraphit ist es notwendig,
diesen Werkstoff durch Edelstahlguss zu
ersetzen, da so eine verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit
erreicht wird. Bezüglich
der Konstruktionstechnik erfolgt eine
veränderte Dichtungsausführung, bei welcher
der Dichtring eine zusätzliche spezielle
Beschichtung zur Gewährleistung der
Dichtheit bei hohen thermischen Ausdehnungen
erhält. Um weiterhin ein sehr niedriges
Leistungsgewicht garantieren zu können,
wird das Zylinderkurbelgehäuse weiterhin
als Kokillengussstück unter
Verwendung der wärmebehandelten hochfesten
Legierung AlSiMg7Cu0,5 ausgeführt.
Zur Festigkeitssteigerung erfolgt vor
der Wärmebehandlung ein heißisostatisches
Pressen des Rohteils. Des Weiteren
erfahren sowohl Formfüllung der Kokille
als auch Speisungssystem eine Neukonzipierung,
um einen qualitativ hochwertigen
Werkstoff vor allem in den hoch belasteten
Zonen zu erhalten. Der Zylinderkopf
des Boxermotors wird zur Festigkeitssteigerung
ebenfalls einem heißisostatischen
Pressen unterzogen und wird zur Bewältigung
der hohen Zündkräfte über einen
Zuganker mit dem Hauptlager der Kurbelwelle
verbunden (Bild 2).
Unter der Überschrift: „Verbrauchsreduzierungen
umsonst gibt es nicht – zurück
zum Motor aus Gusseisen? stellt die
Ford AG den Trend zum Leichtmetallguss
in Frage. Laut Expertise des Director of
Global Powertrain, Research and Advanced
Engineering bei Ford, Dr. Andreas Schamel
[11], wird man bei der künftigen Realisierung
der Downsizing-Konzepte sowie
weiter reduzierten Schadstoffemissionen
Bild 2:
Zylinderkurbelgehäuse
mit Zugankerkonzept
[10].
speziell bei Ottomotoren bald die physikalischen
Grenzen erreichen. Bezüglich des
Downsizings, welches durch ein spezielles
Aufladesystem realisiert wird, liegen die
Gründe vor allem im begrenzten Beschleunigungsverhalten
des Motors verglichen
mit konventionellen Saugmotoren, da während
der Beschleunigungsphase die Aufladung
erst nach einigen Augenblicken anspricht.
Infolgedessen werden die Aufladungskonzepte
auch in Zukunft einer
stetigen Verbesserung unterzogen, von effizienteren
Kompressoren bis hin zu elektrisch
unterstützen Ladern. Des Weiteren
erachtet der Autor den damaligen Schritt
von Ford, den Krümmer bereits während
des Gießens in den Zylinderkopf zu integrieren,
trotz diverser Kritik, als richtig.
So verursachten die dadurch erreichbaren
geringeren Temperaturen aufgrund des
verbesserten Wärmeübergangs auch geringere
Kosten bei der Werkstoffauswahl.
Eine weitere wichtige Kernaussage bezieht
sich auf die Verwendung von Gusseisen
mit Lamellengraphit anstatt einer Aluminiumlegierung
bei 3-Zylinder-Ottomotoren
mit einem Hubvolumen von 1,0 l. Der wesentliche
Vorteil ergibt sich aus der höheren
Kompaktheit des Motorblocks. Zudem
erweist sich der Nachteil durch das erhöhte
Gewicht in dieser Motorvariante als äußerst
gering. Durch die kompaktere Ausführung
des Motors entfällt die Integration
von Ausgleichswellen zur Beseitigung
der unausgeglichenen Momente, da letztere
mit den Abmessungen des Motors korrelieren
und demzufolge bei geringeren Dimensionen
obsolet sind. Eine allgemeine
Tendenz zurück zum Motor aus Gusseisen
lässt sich laut Schamel jedoch nicht feststellen,
da bei höheren Hubräumen weiterhin
Motoren aus Aluminiumlegierungen
verwendet werden und in diesem Segment
die Gewichtseinsparung am Zylinderkurbelgehäuse
wieder eine höhere
Rolle spielt.
Trends und konstruktive Neuheiten
im Fahrwerks- und Karosseriebau
Einer der wesentlichen zu beobachtenden
Tendenzen im Fahrwerks- und Karosseriebau
ist der Trend zu funktionsintegrierten
Strukturbauteilen. Zukünftig wird eine
weitere Optimierung im Zusammenspiel
von Konstruktion, Werkstoff und Fertigung
in den Vordergrund rücken. So müssen neben
neuen Werkstoffentwicklungen vor allem
die Gießverfahren den hohen Bauteilanforderungen
bei Fahrwerksanwendungen
Rechnung tragen und den Belangen
einer umweltgerechten, nachhaltigen Fertigung
genügen, stellt A. Gebauer-Teichmann
[12] fest.
So beschreibt z. B. H. Eibisch [13] auf
dem Spezialtag der VDI-Tagung „Gießtechnik
im Motorenbau 2013“ in seinem Beitrag
„Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit
von Druckgussbauteilen im Karosseriebau“,
dass Druckgussbauteile aus Aluminium
seit Jahren eine zunehmende Rolle
in der Leichtbaustrategie von Karosseriestrukturen
spielen. Während gegenwärtig
in erster Linie Fahrzeuge in kleinen und
mittleren Stückzahlen mit Strukturbauteilen
ausgestattet werden, besteht die zukünftige
Herausforderung darin, diese
auch in der Großserie einzusetzen. Sie müssen
sowohl topologieoptimiert als auch fertigungsgerecht
ausgelegt werden und zugleich
höchsten Crash-Anforderungen genügen.
Diese Zielsetzung erfordert eine
durchgängige Prozesskettenkompetenz, bestehend
aus Schmelzprozess, Legierungsentwicklung,
Gießverfahren, Wärmebehandlung
und mechanischen Bearbeitungsprozessen.
Nur bei einer sicheren
Beherrschung der Prozesskette können
fahrzeugspezifische Anforderungen mit einer
hohen Qualitäts- und Kostenorientierung
realisiert werden.
Ebenfalls zum Thema Strukturbauteile
im Druckguss referierte A. Fent [14] von
der BMW Leichtmetallgießerei, Landshut.
Dabei standen die Druckgießwerkzeuge im
Fokus. Immer kürzer werdende Zeitschienen
zur Abnahme und Freigabe der Druckgießformen
erfordern neuste Technologien
und schlanke effiziente Abläufe in der
Werkzeugauslegung. So ist eine virtuelle
Abbildungen in allen Phasen des Herstellungsprozesses
der Produktentstehung unabdingbar.
Standardmäßig werden alle
Werkzeuge bzgl. Formfüllung und Erstarrung
simuliert. Zukünftig rücken Simulationstools
zur Auslegung der Temperierung
im Werkzeug als auch bei der Vorhersage
50 Giesserei 100 07/2013

Bild 3:
Komplexe Gusskonstruktionen
an einem Audi Space Frame
[15].
von prozessabhängigen mechanischen Eigenschaften,
besonders für die Crashberechnung
oder das Verhalten von Verformungen
der Bauteile im Werkzeug, in den
Vordergrund. Nur durch eine Standardisierung
des Auslegungsprozesses und der
Werkzeuge sowie der Folgeprozesse ist die
Wettbewerbsfähigkeit der Gießprozesse gegenüber
konkurrierenden Herstellverfahren
zu halten.
H. Fuchs [15] stellte die neuen zielgerichteten
Leichtbaustrategien für Aluminiumgussteile
der Martinrea Honsel Germany
GmbH vor. Flankierend zu den Verfahrensentwicklungen
führten gemäß den
Autoren Weiterentwicklungen im Bereich
der Werkstoffe und Konstruktion zum verstärkten
Einsatz von Aluminiumguss im
Fahrwerk sowie in tragenden Strukturen
des Chassis (Bild 3). So wird im Beitrag aufgezeigt,
wie durch Hybridbauweisen neben
Gewichtseinsparungen, auch lokale Eigenschaftsoptimierungen
erzielt werden können.
Zudem tragen neben dem verstärken
Einsatz von Bauteil- und Prozesssimulation
vor allem Werkstoffoptimierungen zur
Entwicklung neuer Integralgussteile bei.
Wie K. Weiß u. a. [16] erläutern, spielt
neben den klassischen Berechnungen zur
Festlegung des Bauteildesigns mittels FEM
(Finite Elemente Methode) in zunehmendem
Maße auch die Vorhersage der prognostizierten
Bauteileinschaften sowie die
Simulation des späteren Fertigungsprozesses
eine wichtige Rolle im Entstehungsprozess.
So können die oftmals vorgenommene
Auslegung der Geometrien anhand
eines homogenen Materialzustandes angepasst
und infolge dessen die hohen aufgeschlagenen
Sicherheitsfaktoren verringert
werden. Durch den Einsatz neuster Methodik
wird dem Aluminiumguss noch ein
deutliches Wachstumspotential im Automobilbau
zugesprochen.
Entwicklungen der Fertigungsverfahren
Die mit dem verstärken Einsatz der Downsizing-Konzepte
einhergehenden gesteigerten
Leistungsdichten führen jedoch auch
zu deutlich verstärkten Bauteilbelastungen.
Dies wiederum erfordert neben konstruktiven
Anpassungen auch die Neu- sowie
Weiterentwicklung der (bestehenden)
Fertigungsverfahren. Die BMW-Leichtmetallgießerei
in Landshut verfolgt, wie E.
Weissenbek, A. Fent und T. Kautz [17] ausführen,
mit der Umsetzung eines neuen
nachhaltigen Zentralspeisungskonzepts für
Aluminium-Kurbelgehäuse diesen Anspruch.
In der 3. Generation konnten durch
Simulation sowie den Einsatz von anorganisch
gebunden Sandkernen das thermische
Zentrum in die Mitte des Bauteils gelegt
werden. Durch die Nutzung der umweltfreundlichen
Bindesysteme konnten
die Kondensatbildung verringert und somit
neue Entlüftungskonzepte umgesetzt
werden, die der bisherigen notwendigerweise
klar gerichteten Erstarrungsrichtung
entgegensteht (Bild 4). Folglich ergeben
sich aus diesen in mehreren Iterationsschritten
erarbeiteten Gesamtmaßnahmen
kürzere Erstarrungs- und Taktzeiten bei
Lösung des Zielkonflikts zur Erreichung
vergleichbarer Festigkeitswerte im Lagerstuhl
und im Steg. Zusätzlich stellen sich
wirtschaftlich positive Effekte wie sinkendes
Speisergewicht und damit verbundene
Reduzierung des Kreislaufmaterials ein.
Doch auch im Druckguss ergeben sich
neue Potentiale, die, wie in [18] erläutert,
„das Denken einer ganzen Branche verändern“
könnten. Wie im Beitrag beschrieben,
kann durch die Nutzung der innovativen
Salzkerntechnik eine Substitution
bisheriger Gießverfahren erfolgen. Bauteile,
welche bisher aufgrund ihrer komplexen
Geometrie und den damit verbunde-
Bild 4: Verteilung der unterschiedlichen
Erstarrungszeiten bei Verwendung
des neuen Zentralspeiserkonzepts,
basierend auf anorganisch gebundenen
Sandkernen [17].
Giesserei 100 07/2013 51

JAHRESÜBERSICHT
Bild 5: Schnitt durch ein Aluminiumgussteil
mit sichtbarem Salzkern [19].
nen Anforderungen im Sand- oder Kokillenguss
gefertigt werden mussten, können
durch das neuartige Verfahren mittels
Druckgießen hergestellt und die damit verbundenen
Vorteile wie Materialeinsparungen,
verringerte Zykluszeiten und weniger
Nacharbeitung genutzt werden. Komplexe
Strukturen und Hohlräume, die bisher im
Druckgießverfahren als nicht darstellbar
galten, lassen sich durch den Einsatz von
Salzkernen realisieren. Das für einen qualitativ
hochwertigen Guss enge Prozessfenster
setzt dabei eine eng gekoppelte Herstellung
des Salzkerns und des späteren
Gussteils voraus. Aus diesem Grund gewährleistet
die frühe und durchgängige
Nutzung von Simulationssoftware über die
gesamte Produktionskette eine hohe Prozesssicherheit.
So wird der jeweilige Druckgießprozess
des Salzkerns und des Aluminium-Gussteils
den Erfordernissen angepasst,
um eine optimale Salzlösung im Kern
zu erhalten, die zum einen den herrschenden
Drücken beim Gießen und zum anderen
auch einer späteren Entformbarkeit
im Bauteil standhält (Bild 5). Nach der erfolgreichen
Vorstellung dieses neuen Verfahrens
Ende vergangenen Jahres vor Vertretern
der Automobil(zulie-ferer)industrie,
müssen sich die genannten Potentiale
laut [19] nun in der täglichen Praxis beweisen.
Einen weiteren Lösungsweg, um das Bauteilgewicht
und die damit verbundenen Materialkosten
zu reduzieren, verfolgt, wie M.
Fuchs [20] dargelegt, die Wagner AG, Waldstatt,
Schweiz, mit einem neuartigen Ansatz
zur Fertigung von Hybridbauteilen. Dabei
wird Druckguss von Leichtmetallen (Al, Mg,
Zn) und Spritzguss von Kunststoffen (PA,
POM) kombiniert, um so hybride Komponenten
zu fertigen. Ein „Hybridbauteil“ wird
dabei nach den Fertigungsprozessen definiert,
z. B. das Hinterspritzen von Druckgussbauteile
mit Kunststoff, die Montage/
das Kleben einer Baugruppe bestehend aus
Druckguss- und Spritzgussbauteil oder das
eigenentwickelte Umspritzen von speziell
gefertigten metallischen Einlegeteilen mit
Kunststoff. Hybride Komponenten bestechen
vor allem durch Vorteile in den Feldern Bauteilgestaltungsfreiheit,
Prozesssicherheit/-
stabilität und den reduzierten Bauteilkosten.
Die Kombination von metallischen
Werkstoffen und Kunststoffen bietet besonders
im Hinblick auf die Variation der Eigenschaften
(mechanisch, physikalisch) ein
breites Anwendungsspektrum. Für den
Leichtbau steht dabei der Dichteunterschied
im Vordergrund, z. B. weist PA66 im Vergleich
zu Aluminiumlegierungen eine 50 %
geringere Dichte auf. Laut Autor bleibt jedoch
zu berücksichtigen, dass nicht jede
Werkstoffkombination zu einem rentablen
Hybrid (Bild 6) gefertig werden kann. Insbesondere
die Einsatzbedingungen müssten
für die Werkstoffauswahl genau definiert
sein, um anschließend ein wirtschaftlich rentables
Verfahren auswählen zu können. Dabei
ist besonders auf die Verbindungsart
(form- oder stoffschlüssig) der Hybridpartner
zu achten, da diese maßgeblich die Prozessparameter
beeinflusst.
Die Wagner AG entwickelte eine formschlüssige
Hybridverbindung unter Nutzung
von je einem Programm zur Simulation
des Druckgießprozesses und des Umspritzens
des Druckgusseinlegeteils mit
Kunststoff. Somit konnten sehr früh im
Entwicklungsprozess Schwachstellen erkannt
und beseitigt werden, führt M.
Fuchs [21] in einer weiteren Veröffentlichung
aus.
Werkstoffentwicklungen
Bild 6: Dachspitzenhalter
vom Smart 4 Two aus Aluminiumdruckguss
mit einer
angespritzten Feder aus
Polyoxymethylen [21].
Die kontinuierlich erhöhten Leistungsdichten
an Otto- und Dieselmotoren führten in
den vergangenen Jahren zu deutlich gesteigerten
Werkstoffanforderungen – speziell
im Hochtemperaturbereich der Aggregate.
Zusätzliche Leichtbaubestrebungen
und die damit einhergehende
Verringerung von Wanddicken schränken
weiterhin den Wärmetransport ein. A. Pithan,
Martinrea Honsel Germany GmbH,
Meschede, und H. Koch, Trimet Aluminium
AG, Essen, [22] beschreiben die Modifikation
des Legierungstyps AlSiMg zur
Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von
Gussteilen. Durch die Zugabe von Bor konnten
sich negativ auf die Leitfähigkeit auswirkende
Elemente wie Titan, Zirkon und
Vanadium aus der Schmelze entfernt werden.
Wie in Bild 7 zu sehen, bewirkte die
durch einen Überschuss an Bor eingestellte
Kornfeinung mittels Aluminiumborid
ein feineres Gefüge und damit einhergehende
deutlich verbesserte Bruchdehnungswerte
im Vergleich zu einer Legierung
mit Titanborid-Kornfeinung.
W. Fragner [23] beleuchtet im Sinne der
Weiterentwicklung temperaturbeständiger
Aluminiumlegierungen in einem Beitrag
zu einer Forschungskooperation zwischen
der AMAG Casting GmbH, der Montanuniversität
Leoben, Österreich, und der ETH
Zürich, Schweiz, den Einfluss der Legierungszusammensetzung
von AlSi-Gusslegierungen
auf deren mechanische und physikalische
Eigenschaften bei Anwendungen
im erhöhten Temperaturbereich. Im
Fokus der Arbeiten standen dabei sowohl
die Untersuchung der Einflüsse einzelner
Elemente als auch der Wechselwirkungen
bei kombinierter Variation mehrerer Legierungsbestandteile.
Im Rahmen der Untersuchungen
wurde z. B. der Einfluss der
52 Giesserei 100 07/2013

GieSSereiSande
für feinste Formen
und Kerne
Bild 7: Korngröße der Legierung AlSi7Mg gefeint mit Titan/Bor (a) und mit Bor (b) [22].
Legierungselemente Si, Cu und Ni auf die
Wärmleitfähigkeit λ (bei 40 °C), den linearen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten
α (bei 250 °C) und die Temperaturwechselbeständigkeit
untersucht. Bezüglich
der Wärmeleitfähigkeit ergaben sich
vergleichsweise hohe Schwankungen zwischen
140 und 190 W/mK. Auf den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten hat lediglich
Silicium einen nennenswerten Einfluss.
So erreichen untereutektische
Legierungen mit einem Si-Anteil kleiner
12 % einen ca. 1 bis 1,5 x 10 -6 höheren Wert.
Dieser ist dennoch wider Erwarten niedrig.
Daher erscheint eine Substitution in
Abhängigkeit von α nur bei speziellen Anwendungen,
also bei Bauteilgruppen mit
sehr genauem Passungsbereich sinnvoll.
Auch im Bereich der Eisengusswerkstoffe
ist die Gießerei-Industrie ständig bestrebt,
einen Beitrag hinsichtlich Leichtbau
und effizienter Fertigung zu leisten.
Dazu gab B. Duit [24] von der Componenta
B. V., Weert, Niederlande, einen Einblick
in die Entwicklung eines Zylinderkopfes
aus dem neuartigen Werkstoff Solution-
Strengthened-Ferritic(SSF)-GJV als Kombination
von SSF-GJS und GJV. Ziel ist die
Vereinigung der positiven Eigenschaften
beider „Serienwerkstoffe“. Zum einen ist
mit GJV die Konstruktion dünnwandiger
Motorenbauteile bei prozesssicheren Herstellungsverfahren
dank der hohen Festigkeit
und einer moderaten Wärmeleitfähigkeit
möglich. SSF-GJS bietet zum anderen
ähnlich gute Materialeigenschaften
wie Stahlguss, ist dabei allerdings erheblich
kostengünstiger und besser bearbeitbar
als GJS und GJV. Die Versuche des neuen
Werkstoffs wurden an einem seriengegossenen
Zylinderkopf durchgeführt, für
den normalerweise ein EN-GJV-450 verwendet
wird. Für die Herstellung der neuen
Legierung wurde die Basisschmelze von
SSF-GJS einer GJV-Pfannenbehandlung unterworfen.
Bei einem Kohlenstoffgehalt
zwischen 2,65 und 2,8 % und einem Siliciumgehalt
zwischen 3,85 und 4,65 % (alle
Angaben in Masse-%) konnten besonders
gute Ergebnisse hinsichtlich Materialeigenschaften
erzielt werden. Gleichzeitig
ergab sich eine Reduzierung der Kosten
für Herstellung und Bearbeitung. Der neuartige
Werkstoff bietet somit neues konstruktives
Potential und steigert gleichzeitig
die Wirtschaftlichkeit.
Innovative Entwicklungen zur
Qualitätssicherung und Bauteilprüfung
Die rechnergestützten Auslegung von Bauteilen
kommt schon seit Jahren in der Zulieferindustrie
und bei den OEMs zum Einsatz.
Doch auch diese Softwaretools unterliegen
einer stetigen Optimierung und
Weiterentwicklung. So rücken zukünftig
die Prozessplanung und Qualitätssicherung
in den Vordergrund der virtuellen Abbildungs-
und Bewertungsprozesse. I. Hahn
[25], Magma GmbH, Aachen, zeigt in seinem
Vortrag zur virtuellen Produkt- und
Prozessentwicklung im Motorenguss auf
der VDI-Tagung „Gießtechnik im Motorenbau
2013“, wie zum Zwecke einer Verkürzung
der Entwicklungszeit zwischen Produktidee
und Markteinführung die statische
Versuchsplanung (DoE) mit der
Gießsimulation kombiniert werden kann.
Als praktisches Beispiel wurde die Entwicklung
von Kurbel- bzw. Nockenwellen vorgestellt,
bei denen die Zeitspanne zwischen
Produktidee und Markteinführung von 5
auf 3 Jahre reduziert werden konnte.
Weitere Optimierung könnten die Simulationstools
in Zukunft durch die Einbindung
der Untersuchungen zu mikrostrukturellen
Einflüssen auf das HCF-Ermüdungsverhalten
von Gussbauteilen, die S.
Reddnik [26] in einem Gemeinschaftsbeitrag
der Montanuniversität Leoben und der
BMW AG vorstellt, sowie die Ausführungen
zur Implementierung der numerischen
Vorhersage thermischer Eigenspannungen
aus dem Wärmebehandlungsprozess von
I. Söllig [27], Volkswagen AG, Wolfsburg,
erfahren.
Einen ebenfalls innovativen Ansatz zur
Bewertung der durch die 3-D-Computertomographie
(CT) gewonnenen Ergebnisse zur
Bauteilporosität wurde an der Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg entwickelt.
Hierbei soll durch ein neuartiges Bewertungskonzept,
das sowohl die statischen
99,5% SiO 2
-Gehalt
besonders hohe
Temperaturbeständigkeit
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JAHRESÜBERSICHT
Lastkollektive eines Gussbauteils als auch
die spezifische Porengeometrie berücksichtigt,
eine Bauteilbewertung hinsichtlich der
Beanspruchungsfestigkeit ermöglicht werden.
Ziel ist es, die durch den CT detektierten
Porositäten in produktionstypischen
Taktzeiten auszuwerten und dabei den Einfluss
der Poren auf die Abschwächung der
Bauteilfestigkeit zu bewerten, um so Aussagen
über die Gusszustände in Ordnung
(i. O.) oder nicht in Ordnung (n. i. O.) zu erhalten.
Hierüber berichten C. Rehse und
D. Schmicker in [28].
Neben dem Trend zu Inline-Computertomographen
im Produktionsprozess werden
ebenfalls höhere Prüfqualitäten und
Prüfsicherheiten durch Neuentwicklungen
in der Radioskopie verfolgt. So konnte im
Zuge einer Zusammenarbeit des Automobilzulieferers
Martinrea Honsel GmbH Germany,
Meschede, und der Firma Yxlon International
GmbH, Hamburg, eine Röntgentechnik
zur Gussteilinspektion eingesetzt
werden, die es erlaubt die physikalischen
Grenzen der Bildverstärkertechnik auf diesem
Gebiet zu umgehen. Mit Hilfe der hoch
dynamischen Radioskopie (HDR) [29], bei
der ein Flachbilddetektor sowie ein spezieller
Bildverarbeitungsfilter zum Einsatz
kommen, lässt sich ein rauscharmes Livebild
des zu prüfenden Bauteils erzeugen
(Bild 8). Somit lassen sich auch stark unterschiedlich
ausgeprägte Wanddicken mit
einer Aufnahme vergleichbar prüfen, ohne
auf andere Verfahren oder Parametermodulationen
zurückgreifen zu müssen.
Die Vorteile des Verfahrens liegen insbesondere
in den Bereichen Prüfsicherheit
und -geschwindigkeit, Handhabung und der
genauen Detektion von Form und Lage der
Fehlstelle.
Bild 8:
Bauteil-Livebild
erstellt mittels
HDR-Technik [29].
Literatur:
[1] http://www.vdi.de/presse/artikel/leistung-verbessern-und-co2-einsparen-1.
[2] http://www.volke.de/kompetenzfelder/
motoren/motorenentwicklung.
[3] http://www.salon-auto.ch/de/premieres/?idType=0.
[4] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die nächste
Generation von Fahrzeugantrieben, Magdeburg,
5. und 6. Februar 2013. VDI-Verlag,
Düsseldorf 2013, S. 13-29.
[5] MTZ – Motortechnische Zeitschrift
(2013) Nr. 4, S. 270-271.
[6] Automobil Industrie (2012) Nr. 7. S. 16-
18.
[7] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die nächste
Generation von Fahrzeugantrieben, Magdeburg,
5. und 6. Februar 2013. VDI-Verlag,
Düsseldorf 2013, S. 1.
[8] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die nächste
Generation von Fahrzeugantrieben, Magdeburg,
5. und 6. Februar 2013. VDI-Verlag,
Düsseldorf 2013, S. 3-11.
[9] MTZ – Motortechnische Zeitschrift
(2012) Nr. 6, S. 477-482.
[10] MTZ – Motortechnische Zeitschrift
(2012) Nr. 10, S. 754-760.
[11] MTZ – Motortechnische Zeitschrift
(2013) Nr. 2, S. 106-108.
[12] VDI-Spezialtag Gießen von Fahrwerksund
Karosseriekomponenten am 7. Februar
2013 in Magdeburg, VDG-Wissensforum,
Düsseldorf 2013, Beitrag 1.
[13] VDI-Spezialtag Gießen von Fahrwerksund
Karosseriekomponenten am 7. Februar
2013 in Magdeburg, VDG-Wissensforum,
Düsseldorf 2013, Beitrag 2.
[14] VDI-Spezialtag Gießen von Fahrwerks-
und Karosseriekomponenten am 7. Februar
2013 in Magdeburg, VDG-Wissensforum,
Düsseldorf 2013, Beitrag 3.
[15] VDI-Spezialtag Gießen von Fahrwerksund
Karosseriekomponenten am 7. Februar
2013 in Magdeburg, VDG-Wissensforum,
Düsseldorf 2013, Beitrag 4.
[16] Giesserei 100 (2013) Nr. 3, S. 30-35.
[17] Giesserei 99 (2012) Nr. 7, S. 64-65.
[18] http://www.buhlergroup.com/global/
en/process-technologies/die-casting/lostcore.htm#
Video Lost Core abgerufen am
12.04.2013.
[19] Konstruktion (2013) Nr. 4, S. IW 16.
[20] Giesserei-Erfahrungsaustausch 56
(2012) Nr. 11+12, S. 30-35.
[21] Giesserei 100 (2013) Nr. 3, S. 66-69.
[22] Giesserei 99 (2012) Nr. 10, S. 38-43.
[23] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die
nächste Generation von Fahrzeugantrieben,
Magdeburg, 5. und 6. Februar 2013. VDI-
Verlag, Düsseldorf 2013, S. 179-197.
[24] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die
nächste Generation von Fahrzeugantrieben,
Magdeburg, 5. und 6. Februar 2013. VDI-
Verlag, Düsseldorf 2013, S. 171-177.
[25] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die
nächste Generation von Fahrzeugantrieben,
Magdeburg, 5. und 6. Februar 2013. VDI-
Verlag, Düsseldorf 2013, S. 271-284.
[26] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die
nächste Generation von Fahrzeugantrieben,
Magdeburg, 5. und 6. Februar 2013. VDI-
Verlag, Düsseldorf 2013, S. 199-216.
[27] Zur numerischen Vorhersage thermischer
Eigenspannungen aus dem Wärmebehandlungsprozess
in Al-Zylinderköpfen.
Vortrag, gehalten auf der VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau 2013 (unveröffentlicht).
[28] VDI-Berichte 2189: VDI-Tagung Gießtechnik
im Motorenbau – Potentiale für die
nächste Generation von Fahrzeugantrieben,
Magdeburg, 5. und 6. Februar 2013. VDI-
Verlag, Düsseldorf 2013, S. 217-234.
[29] Giesserei-Erfahrungsaustausch 56
(2012) Nr. 7+8, S. 43.
Weitere Informationen:
Die in den Jahresübersichten zitierten
Veröffentlichungen sind gegen
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54 Giesserei 100 07/2013