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FOTO: VW AG
TECHNOLOGIE & TRENDS
Verlorenes Kernpaket in einer Kokille für ein Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse.
Untersuchungen zum Schwer kraftkokillengießen
von Aluminium-
Zylinderkurbelgehäusen
Auszug aus einer Dissertation
VON MARC BRAUNHARDT, WOLFSBURG,
RÜDIGER BÄHR, MAGDEBURG, KLAUS
EIGENFELD, FREIBERG, UND INGO
NIEDICK, WOLFSBURG
In der Automobilbranche zeigt die Entwicklung
der letzten 30 Jahre, dass der
Anteil an Leichtbauwerkstoffen und
insbesondere an Aluminium im Fahrzeug
stetig zugenommen hat, viele Potentiale
aber noch nicht ausgeschöpft sind [1]. Zeitgleich
sind in den letzten 25 Jahren die
Grenzwerte für NO X, CO X und Partikel für
Fahrzeugabgase drastisch gesenkt worden
[2]. Ausgehend vom europäischen Markt
30 GIESSEREI 99 05/2012
und den dort geltenden Gesetzgebungen
hinsichtlich Emissionen und der gegenläufig
steigenden Ausstattungsvielfalt und Leistung
der Fahrzeuge, kommen neue Motorenkonzepte
zum Tragen. Diese neuen Motorenkonzepte,
die anstelle von Diesel und
Benzin mit alternativen Energiemedien betrieben
werden, bedürfen einer gewissen
Zeit, um im Markt Umsetzung und Akzeptanz
zu finden. Diese Umsetzungsphase,
die sich durchaus über einige Jahrzehnte
erstrecken kann, wird über Hybridlösungen
realisiert. Anhand von Bild 1 wird
deutlich, welche Entwicklung bezüglich
der Motorenkonzepte in den nächsten Jah-
ren bei Pkw und Nkw zu erwarten ist. Es
ist davon auszugehen, dass die bislang dominierenden
Otto- und Dieselmotoren auch
in den kommenden Jahrzehnten mit stark
steigenden Fahrzeugabsatzzahlen die wesentliche
Rolle bei den Antriebstechnologien
spielen [3, 4].
Aus dieser Prognose ergibt sich, dass Verbrennungsmotoren
in den nächsten Jahrzehnten
noch die dominierenden Antriebstechnologien
darstellen werden. Die Hy-
bridisierung und Elektrifizierung der Fahrzeuge
führt zu einer Vergrößerung der Fahrzeugmasse
durch zusätzliche Komponenten
wie den E-Antrieb, die Steuerung und Spei-

chermedien. Um weiterhin wettbewerbsfähig
zu bleiben, liegt auf dem Thema Leichtbau
ein noch größerer Fokus als in den
letzten Jahren. Besonders relevant ist dies
für das schwerste Einzelbauteil im Fahrzeug
– das Zylinderkurbelgehäuse –, dessen Gewichtsanteil
ca. 3 bis 4 % an der Fahrzeuggesamtmasse
beträgt. Vom Thema Leichtbau
kommt man schnell auf die eingesetzten
Werkstoffe, die durch ihre unterschiedlichen
Dichten maßgeblich die Masse definieren.
Neben Nischenanwendungen aus
Magnesiumlegierungen sind Gusseisen und
Aluminiumlegierungen die Hauptwerkstoffe
für Zylinderkurbelgehäuse.
In Bild 2 wird eine Gegenüberstellung
der Rohteilgewichte bei Einsatz von Aluminiumlegierungen
(blau) und Gusseisen
(rot) gezeigt. Es gilt entgegen [9, 10] zu beachten,
dass nur die Rohteilgewichte zu
vergleichen sind, da die Integration von
beispielsweise Lagerdeckel und Bedplate
die Aussage verfälscht. Die Darstellung, in
der die Rohteilmassen über der Motorleistung
aufgetragen sind, zeigt den Unterschied
der beiden Werkstoffe. So ist bei
50 kW Motorleistung bereits mit mehr als
15 kg und bei 130 kW mit mehr als 25 kg
Gewichtsdifferenz zwischen Gusseisen zu
Aluminiumlegierungen zu rechnen.
Es ist also davon auszugehen, dass Aluminiumlegierungen
die Zukunftswerkstoffe
für Zylinderkurbelgehäuse darstellen.
Nach der Definition des Werkstoffes gilt
es, die eingesetzten Gießverfahren zu untersuchen.
Ein qualitativer Vergleich der
bislang gängigen Gießverfahren zur Erzeugung
von Zylinderkurbelgehäusen aus Aluminium
wird in [11] beschrieben und in
die hier vorliegende Betrachtung noch einmal
aufgenommen. Dass die bislang genutzten
Fertigungsverfahren noch kein Optimum
darstellen, wird u. a. auch daran deutlich,
dass immer wieder Untersuchungen
wie in [121] vorgenommen werden, um
neue Gießverfahren für Zylinderkurbelgehäuse
zu entwickeln. Produktionsprobleme
entstehen ursächlich auch häufig deshalb,
weil die Rohteilkonstruktion nicht
optimal auf ein Verfahren abgestimmt ist.
Seit Mitte der 1970er Jahre existieren
die ersten Otto-Zylinderkurbelgehäuse aus
Aluminium und seit Mitte der 1990er Jahre
die ersten Diesel-Zylinderkurbelgehäuse
[8]. Im Gegensatz zu Zylinderköpfen ist
für Zylinderkurbelgehäuse das Temperaturverhalten
bei relativ niedrigen Temperaturen
relevant. Im Zylinderbereich sind
Spitzentemperaturen von lokal max.
240 °C zu erwarten. In dem am stärksten
belasteten Lagerstuhlbereich herrschen lediglich
die maximalen Öltemperaturen von
120 °C. Um einen optimalen Kompromiss
der technischen Möglichkeiten zu finden,
wurden im Rahmen der diesem Beitrag zugrunde
liegenden Arbeit auf Basis der
Autoverkauf in Mio.
KURZFASSUNG:
Aufgrund der Verknappung und der damit verbundenen Preissteigerung fossiler
Energieträger, aber auch infolge verschärfter Umwelt- und Emissionsauflagen, hat
in jüngster Vergangenheit ein verstärktes Umdenken in Bezug auf die Entwicklung
verbrauchsärmerer und kleinvolumigerer Motoren eingesetzt. Durch Aufladung,
Direkteinspritzung und andere technische Entwicklungen sind diese Motoren heutzutage
imstande, bei wesentlich geringeren Verbrauchswerten das gleiche Leistungsvermögen
wie ihre großvolumigen Vorgänger abzurufen und lassen somit
keine Einbußen im Hinblick auf Fahrkomfort und Fahrspaß erkennen. In der Fachwelt
ist diese Tendenz unter dem Begriff Downsizing bekannt. Solche Downsizing-
Konzepte sind jedoch mit einer sehr hohen Leistungsdichte und erheblichen Verbrennungsdrücken,
welche wiederum extrem hohe Bauteilbelastungen – speziell
an den Zylinderköpfen und Zylinderkurbelgehäusen – zur Folge haben, verbunden.
Als weitere Entwicklung ist eine Zunahme von Bauelementen und Aggregaten zur
Hybridisierung oder Erhöhung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit zu verzeichnen.
Für die Aufnahme dieser Belastungen und Reduzierung der Fahrzeugmasse
bedarf es einer umfassenden Neuentwicklung der Komponenten und Baugruppen.
Die Automobilindustrie setzt vermehrt auf den Werkstoff Aluminium und versucht,
große Bauteile oder auch Schweißkonstruktionen mittels intelligenter, innovativer
Gießverfahren im Leichtbau abzubilden. Eine der größten Gewichtseinsparungen
ist durch die Einführung von Zylinderkurbelgehäusen (ZKG) aus Aluminium-
Silicium-Legierungen realisierbar.
Im Artikel sind die notwendigen Schritte für die Prozess- und Produktentwicklung
prinzipiell aufgezeigt. Für eine prozesssichere und wirtschaftliche Fertigung
sind wichtige Randbedingungen zu beachten und aufeinander abzustimmen. So
beeinflussen sich Gießlage und Rohteilgestaltung stark. Daneben ist die Werkzeugauslegung
für die Erreichung der mechanischen Eigenschaften und die Taktzeit verantwortlich.
Auch die Laufflächentechnologie entscheidet maßgeblich über die
Wirtschaftlichkeit und Produkttauglichkeit. In Summe zeigt das Schwerkraftkokillengießen
besondere Vorteile gegenüber den bestehenden Verfahren und wird zukünftig
sicherlich als alternatives Fertigungsverfahren an Bedeutung gewinnen.
200
150
100
50
0
2000
Benzin-Hybrid
Benzin-Hybrid Plug-in
Diesel-Hybrid
herkömmliche
Antriebe
2010
2020
Jahr
Bild 1: Prognose der Motorentechnologien für Hybrid- sowie Elektro-Pkw und -Nkw
in den kommenden Jahrzehnten, nach [5-7].
DIN 8580 alle Urformverfahren bewertet.
Dabei zeigte das bislang in Großserie nicht
eingesetzte Schwerkraftkokillengießen theoretisch
ein erhebliches Potential. Um dieses
Gießverfahren für Zylinderkurbelgehäuse
zu adaptieren, sind die Werkzeugauslegung,
die Eigenschaften und,
besonders bei untereutektischen Aluminium-Silicium-Legierungen,
die Laufflächentechnologie
zu betrachten. Die einzelnen
Schritte, die es im Rahmen einer Dissertation
zu untersuchen galt, sind in Bild 3 vereinfacht
zusammengefasst.
Diesel-Hybrid Plug-in
Elektroauto
Brennstoffzellen-Fahrzeug
2030
2040
Werkzeugauslegung
2050
Bei der Werkzeugauslegung stellt sich zu
Beginn die Frage: Wie wird das Bauteil in
die Form gelegt? Das Bauteil kann in der
Erstarrungslage theoretisch auf allen
sechs Außenseiten stehen. Jede Erstarrungslage
zeigt sich hinsichtlich der
schwerkraftgetriebenen Speisung mehr
oder weniger günstig. Um die beste Erstarrungslage
zu definieren und das Rohteil
daraufhin zu optimieren, ist ein Werkzeug
in der frühen Phase der Produktent-
GIESSEREI 99 05/2012 31

TECHNOLOGIE & TRENDS
Rohteilmasse in kg
60
50
40
Rohteilmasse =
0,15 • Motorleistung + 24,1 R² = 0,5281
30
20
Aluminium-Legierungen
Gusseisen-Legierungen
Linear (Aluminium-Legierungen)
10
Linear (Gusseisen-Legierungen)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Motorleistung in kW
32 GIESSEREI 99 05/2012
Rohteilmasse =
0,10 • Motorleistung + 10,5 R² = 0,8979
Bild 2: Motorleistungen in Abhängigkeit von der Masse der Zylinderkurbelgehäuse-
Rohteile [13] (R² – Bestimmtheitsmaß, Aussage über Güte der Schätzung).
Bild 3: Vorgehensweise bei der Adaption des Schwerkraftkokillengießens auf
Zylinderkurbelgehäuse.
stehung notwendig, wie Bild 4 verdeutlicht.
Im frühen Entwicklungsstadium ist der
Ausdetaillierungsgrad des Bauteils geringer.
Somit ist es einfacher, gießtechnische
Belange durch die hohe Änderungsfreiheit
zu berücksichtigen. Üblicherweise wird
der Gießer erst nach der Vergabe des Bauteils
an den Serienlieferanten (ca. zwei Jahre
vor Produktionsanlauf) intensiv an der
Produktentwicklung beteiligt. Ab diesem
Zeitpunkt wird die gießtechnische Simulation
eingesetzt. Mit Hilfe einer Bewertungsmatrix
kann dem Bauteilkonstrukteur
ein Werkzeug an die Hand gegeben
werden, selbst das Bauteil gießtechnisch
zu bewerten und schon drei Jahre vor dem
Einsatz die Bauteillage zu definieren sowie
das Zylinderkurbelgehäuse dahingehend
zu optimieren. Diese Bewertungsmatrix
kann nicht die Kompetenz des Gießers ersetzten,
sie hilft jedoch, grundlegende Fehlauslegungen
des Rohteils zu vermeiden.
Zur Entwicklung dieser Bewertungsmatrix
ist ein objektiver Notenschlüssel notwendig,
um die Gießlagen gegeneinander
abzuwägen und die Risikostellen eindeutig
zu kategorisieren. Mit Hilfe einer idealisierten
Geometrie ähnlich einer Flachzugprobe
(vgl. Tabelle 1, Bild 5) konnten
verschiedene Wanddicken- und Höhenverhältnisse
simuliert und über das Lunkervolumen
aufgetragen werden. In Kombination
mit den Porositätsanforderungen
der Lastenhefte ist eine Einteilung in ein
Notensystem von 1 bis 9 möglich.
Mit Hilfe des Notenschlüssels kann die
Speisung entlang der Gravitation von einer
Bauteilebene zur nächsten bewertet
werden. Hierzu sind CAD-Schnitte des Bauteils
in allen relevanten Bereichen, im folgenden
Funktionsbereiche genannt, notwendig.
Durch manuelle oder automati-
Grad der Ausdetaillierung
Änderungsfreiheit
Bewertungsmatrix
Simulation
Meilensteine
A B C D E F G H I J
- 42 - 39 - 33 - 27 - 23 - 18 - 12 -8 -6 -3
Monate vor Produktionsstart
Bild 4: Änderungsfreiheit im Produktentstehungsprozess in Abhängigkeit ausgewählter Meilensteine.

Tabelle 1: Objektiver Notenschlüssel zur Bewertung der inneren Bauteilspeisung und Gießlagen (vgl. Bild 5).
Note Beschreibung Beurteilung Notenschlüssel
1 kein Lunkerrisiko i. O. h 3/(h 3 + h 2) 15,00 mm³ n. i. O.* h 3/(h 3 + h 2) ≤ 45 % h 3/b 3 ≤ 600 % b 3/b 2 ≥ 10 %
* in Teilbereichen zulässig, abhängig von Bauteillastenheft und/oder Prüfvorschrift
sche Wanddickenanalyse kann so die
Bewertung in allen sechs möglichen Gießlagen
erfolgen. Die Summe der einzelnen
Bewertungen ergibt eine Note für die jeweilige
Gießlage. Darüber hinaus werden
einzelne Risikobereiche identifiziert. Beispielhaft
ist in Bild 6 ein Ausschnitt aus
über 700 Einzelbewertungen gezeigt.
Ist die Gießlage definiert, bietet die Bewertungsmatrix
auch die Möglichkeit zur
Einschätzung der am besten geeigneten
Gießlaufgeometrie. In Kombination mit der
Gießlage kann jetzt mit Hilfe der gießtechnischen
Simulation die Gießtechnik (Gießlauf,
Anschnitte, Speiser) entwickelt werden.
Nach Auslegung der Temperierung
resultiert dies schließlich in der Werkzeugkonstruktion
und dem Bau der Gießereibetriebsmittel.
Lokale Bauteileigenschaften
Bei der Adaption eines Gießverfahrens auf
eine neue Produktgruppe gilt es, in allen
an der Entwicklung beteiligten Fakultäten
Vertrauen zu schaffen. Dazu gehört u. a.
eine Abschätzung der zu erwartenden lokalen,
mechanischen Eigenschaften. Zur
Bestimmung von Übertragungsfunktionen
von bislang simulierbaren Größen z. B. auf
die Zugfestigkeit wurde eine Wanddickenanalyse
an Aluminiumzylinderkurbelgehäusen
durchgeführt. Die Wanddicken
konnten dann in Form von Stabdurchmessern
in eine Versuchskokille übertragen
werden. Nach Abgüssen unter gleichen
Randbedingungen am IFQ der Otto-von-
Guericke Universität, Magdeburg, boten
die dort entnommenen Zug- und Gefüge-
proben die Grundlage für die linearen Regressionen
zur Eigenschaftsermittlung. Auf
der Basis der Erstarrungsbedingungen lieferten
theoretische Grundlagen eine Gefügeverteilung
und die Implementierung der
Regressionen eine Festigkeitsverteilung
über das gesamte Bauteil. Das Vorgehen
ist vereinfacht in Bild 7 verdeutlich. Die
Simulation zeigte bei Verwendung der gleichen
Legierung für porenarmen Guss eine
sehr gute Übereinstimmung mit den in
der Praxis gewonnenen Werten. Eine weitere
Grundlage zur Etablierung eines neuen
Gießverfahrens ist der Vergleich mit
bestehenden Verfahren hinsichtlich der
Lunkervolumen Unterteil und Verbindung in cm 3
60
50
40
30
20
10
Verhältnis h / h + h in %
3 3 2
Verhältnis h / b in %
3 3
Verhältnis h / b in %
3 2
Eigenschaften. So lässt die Gefügekenngröße
des Dendritenarmabstandes (DAS) sowohl
Rückschlüsse auf das Erstarrungsverhalten
als auch auf die Festigkeiten zu.
Der Druckguss zeigt mit max. 18 µm sehr
niedrige DAS-Werte über das gesamte Bauteil
hinweg (Bild 8). Dies lässt auf eine
schnelle und homogene Erstarrung schließen.
Im Niederdruckguss ist der DAS im
Lagerstuhl am höchsten, was in der Anbindung
des Steigrohres und der damit verbundenen
längsten Erstarrung in dem Bereich
korreliert. Die durch das statische
Schwerkraftgießen hergestellte Probe zeigt
einen leichten Erstarrungsgradienten in
0
1 10
100 1000
Verhältnisse
Bild 5: Lunkervolumen in Unterteil und Verbindung in Abhängigkeit von den
geometrischen Verhältnissen des Probekörpers (vgl. Tabelle 1).
GIESSEREI 99 05/2012 33

TECHNOLOGIE & TRENDS
Richtung der brennraumseitig angebrachten
Speiser. Die steigende Gießweise und
die Kühlung der Brennräume wirken dem
entgegen. Die durch das dynamische
Schwerkraftgießen hergestellte Probe zeigt
durch das schichtweise Formfüllen einen
Erstarrungsgradienten in Richtung der
schürzenseitig angebrachten Speiser, wobei
der Lagerstuhl selbst sehr stark gekühlt
ist. Das DAS-Niveau ist bei druckgegossenen
Bauteilen am geringsten.
Eine weitere qualitätsdefinierende
Kenngröße ist die Porosität. Das Druckgie-
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ßen bewirkt auf Grund des schnellen, turbulenten
Formfüllens die größte Porosität,
gefolgt von dem statischen Schwerkraftgießen,
das ebenfalls durch eine fallende
Gießweise Turbulenzen und damit Porosität
hervorruft. Deutlich vorteilhafter zeigen
sich das Niederdruckgießen und das
statische Schwerkraftgießen mit Mittelwerten
um und unter 0,1 % (Bild 9).
Die Summe aus den Gefügeeigenschaften
und der Porosität definiert die mechanischen
Eigenschaften. Lokal konnten im
Niederdruck- und statischen Schwerkraft-
Bild 6: Ausschnitt aus einer Bewertungsmatrix für die Gießlagendefinition.
Tabelle 2: Unterschiedliche Gießtechnologien zur Bestimmung des Einflusses auf die Laufflächeneignung.
gießen die besten Werte gemessen werden.
Über das gesamte Bauteil hinweg bewirkte
aber das dynamische Schwerkraftgießen
die höchsten Festigkeiten.
Laufflächentechnologien
Neben dem Nachweis der Festigkeiten und
der Erfüllung der Dichtigkeitsanforderungen
ist bei untereutektischen Aluminium-
Silicium-Legierungen das Thema der Lauffläche
zu betrachten. Untereutektische Legierungen
sind als Reibpartner für den
Eigenschaft ZKG A ZKG B ZKG C ZKG D
Formmaterial Formstoff Stahl Stahl Stahl
Material der Zylinderpinole Stahl Stahl gekühlt Formstoff und Stahl Stahl gekühlt
Erstarrungslage (unten) Brennraumseite Brennraumseite Lagerstuhlseite Lagerstuhlseite
Bauteillage relativ zur
Form (Koordinaten)
x a
y = b 1 21 2 z -c
x a
y = b 1 21 2 z -c
x a
y = b 1 21 2 z c
Gießen statisch dynamisch 90° statisch statisch
Rohteil gießtechnisch für diese Gießlage für diese Gießlage nein ja
optimiert konstruiert konstruiert
x a
y = b 1 21 2 z c

Bild 7: Vorhersage der lokalen mechanischen Eigenschaften mit Hilfe der Gießsimulation.
Bild 8: Örtliche Verteilung der Dendritenarmabstände in Zylinderkurbelgehäusen (AlSI9Cu3), hergestellt mit verschiedenen Gießverfahren.
Kolben nicht ausreichend, sodass eine Modifikation
des Zylinderrohres erfolgen
muss. Dabei werden die Konzepte von monolithischen,
quasi-monolithischen und heterogenen
Zylinderkurbelgehäusen unterschieden
(Bild 10).
Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen
standen besonders die Anforderungen
des jeweiligen Verfahrens an das
Gussgefüge von Schwerkraftgussteilen im
Vordergrund. Somit wurden übereutektische
Aluminium-Silicium-Legierungen auf
Grund der schlechten Gießbarkeit unter
Schwerkraft nicht näher untersucht. Detailliertere
Betrachtungen konnten an beschichteten
und laserlegierten Zylinderrohren
sowie an eingegossenen GJL-Buchsen
erfolgen. Besonders das günstige Laserlegierverfahren
stand hier im Mittelpunkt,
da es von allen Verfahren die höchsten Ge-
fügeanforderungen an den Grundwerkstoff
stellt. Aus den in Bild 11 dargestellten Prozessfehlern
beim Laserlegieren sind die
rechten beiden Fehlerursachen relevant,
da diese meist im Grundwerkstoff begründet
liegen.
Zur Definition der Anforderungen dienten
Abgüsse aus Werkzeugen mit verschiedenen
Gießtechnologien, Gießsystemen,
Formstoffen und Bauteillagen. Die Kom-
GIESSEREI 99 05/2012 35

TECHNOLOGIE & TRENDS
Bild 9: Örtliche Verteilung der Porosität in Zylinderkurbelgehäusen (AlSI9Cu3), hergestellt mit verschiedenen Gießverfahren.
binationen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Durch die Analyse mehrerer hundert
Schliffbilder konnten die Anforderungen
an den Grundwerkstoff mit einer lokalen
Randporosität von max. 1 % definiert werden.
Um die Größe einzelner Poren zu be-
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Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse (ZKG)
monolithische ZKG quasi-monolithische ZKG heterogene ZKG
übereutektische
AlSi-Legierung
Beschichtungen
Plasmaspritzen
„Fe, FeMo, FeC”
Bild 10: Auswahl von Beschichtungstechnologien für Zylinderkurbelgehäuse.
lokale Werkstoffbehandlung
grenzen, ist ein DAS von weniger als
25 µm nötig. Kleinere DAS ermöglichen
eine größere Anzahl fein verteilter kleiner
Poren, die für den Legiervorgang nicht
schädlich sind. Größere DAS bedingen
Einzelporen, die die Schicht lokal und ggf.
auch das Ergebnis des gesamten Legier-
„nasse“
Buchsen
„trockene“
Buchsen
Laserlegieren Gusseisen Buchsen
prozesses zerstören. Beispielhaft ist in
Bild 12 die Verteilung des DAS im Steg
eines 3-Zylinderkurbelgehäuses von Zylinder
1 bis 2 gezeigt. Nach der Rohteilbearbeitung
weist das Grundgefüge einen
DAS-Wert in beiden Zylindern von
ca. 18 µm auf.

TECHNOLOGIE & TRENDS
200 m
Optimale
Legierungsschicht:
homogene Verteilung
der Siliciumprimärausscheidung
Flächenanteil der
Si- Ausscheidung
bei ca. 20 bis 30 %
Zusammenfassung
Bei zukünftigen Motorengenerationen wird
aufgrund strengerer Umweltanforderungen
sowie der Forderungen nach sinkendem
Kraftstoffverbrauch und Fahrzeuggewicht
die Nutzung von Aluminium als Zylinderkurbelgehäusewerkstoff
weiter
zunehmen. Auch die Auswahl der Herstellungsverfahren
wird dahingehend weiter
38 GIESSEREI 99 05/2012
Fehler: Riss in der
Legierungsschicht
Mögliche Ursache:
erhöhter Anteil an
Siliciumprimärausscheidungen
Bild 11: Prozessfehler beim Laserlegieren.
Dendritenarmabstand in µm
Rohmaß
1,9 mm
4,6 mm
Fehler: Legierungsschicht
besteht aus
fast reinem Eutektikum
Mögliche Ursache:
Prozessfehler beim
Laserlegieren
8,29 mm
Fehler: Prozessporen
Mögliche Ursache:
gelöster Wasserstoff
im Gefüge
erhöhte Laserleistung
zu geringer Vorschub
hohe Luftfeuchtigkeit
beim Legieren
feuchtes
Siliciumpulver
Fertigmaß Bearbeitung
Zylinder 1 Zylindersteg
Bild 12: Verteilung des Dendritenarmabstandes im Zylindersteg.
eingeschränkt, dass ein Gießen von Bauteilen
mit hoher Funktionsintegration gewünscht
und eine Umsetzung der Closed-
Deck-Bauweise zwingend erforderlich ist.
Für eine wirtschaftliche Fertigung qualitativ
hochwertiger, komplexer Zylinderkurbelgehäuse
gilt es, Prozess- und Produktentwicklung
sehr früh zusammenzuführen.
Besonders die richtige Wahl der Bauteillage
und der entsprechenden speisungsge-
Fehler: Riss in der Legierungsschicht
Mögliche Ursache:
Lunker und Poren im Grundwerkstoff
Zylinder 2
rechten Konstruktion des Rohteils hat einen
wesentlichen Einfluss auf die erreichbaren
Eigenschaften und Abgussqualitäten.
Die Rohteilkonstruktion bestimmt somit
maßgeblich die Wirtschaftlichkeit der späteren
Produktion mit. Die Bewertungsmatrix
zur Gießlagenbewertung hilft dem Bauteilkonstrukteur,
Speisungswege zu bewerten
und das Rohteil gießtechnisch zu
optimieren.

Bei der im Rahmen der hier vorgestellten
Arbeit durchgeführten Werkzeugauslegung
für schwerkraftgegossene Zylinderkurbelgehäuse
war auf die Anforderungen der
Funktionsbereiche im Zylinderkurbelgehäuse
einzugehen. Insbesondere betraf dies den
Lagerstuhl und die Zylinderlaufflächen. Eine
intensive Kühlung für gute mechanische
Eigenschaften und Porenfreiheit im Zylinderrohr
gilt es vorzusehen. Durch Poren und
Lunker im Gussgefüge kann es zu einer Beschädigung
der Laufflächentechnologie kommen.
Die detaillierten Anforderungen sind
in der hier beschriebenen Arbeit [14] für
den Gießprozess definiert.
Um eine Akzeptanz des Schwerkraftgießens
für Zylinderkurbelgehäuse in der Bauteilentwicklung
zu finden, ist ein Wissenstransfer
aus dem Gießprozess in den Entwicklungsprozess
hilfreich. Dies kann zum einen
über die Bewertungsmatrix, zum anderen
über CAE-Methoden erfolgen. Hierbei kann
die Gießsimulation eine Abschätzung der
Gussqualität und der Eigenspannungsverteilung
ermöglichen und damit den Wissenstransfer
fördern. Die mit Hilfe der Versuchskokille
ermittelten Übertragungsfunktionen
liefern eine lokale Verteilung der mechanischen
Eigenschaften und können auf die Berechnungsnetze
der Bauteilentwicklung übertragen
werden. Damit können Zylinderkur-
belgehäuse genauer und differenzierter
ausgelegt werden, und eine Über- und Unterdimensionierung
ist somit vermeidbar.
Sind alle Randbedingungen der Prozess-
und Produktentwicklung erfolgreich umgesetzt,
ist ein Vergleich der Verfahren
sinnvoll. Hinsichtlich mechanischer Eigenschaften,
der Porenfreiheit und der Kosten
zeigt das dynamische Schwerkraftgießen
in Kokille Vorteile gegenüber den bislang
eingesetzten Niederdruck- und
Druckgießverfahren. Bezogen auf die Fertigungskosten
ist ein Umstieg auf das statische
Schwerkraftgießen in Kokille anzustreben,
allerdings ist hier häufig mit Einbußen
in der Qualität zu rechnen.
Das Schwerkraftgießen in Kokillen wird
aus wirtschaftlichen, technischen und qualitativen
Gründen als zukünftige Gießtechnologie
Anwendung in der Serienproduktion
von Zylinderkurbelgehäusen in Aluminium
finden!
Dr.-Ing. Marc Braunhardt, Volkswagen Aktiengesellschaft,
Wolfsburg, Prof. Dr. Rüdiger
Bähr, Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung,
Otto-von-Guericke Universität
Magdeburg, Magdeburg, Prof. Dr.-Ing.
Klaus Eigenfeld, TU Bergakademie Freiberg,
Freiberg, Dr.-Ing. Ingo Niedick, Volkswagen
Aktiengesellschaft, Wolfsburg
IBB_174x85mm_VC141 13.12.2007 14:37 Uhr Seite 1
Literatur:
[1] Giesserei-Praxis 51 (2000) Nr. 5, S. 203–
207.
[2] Giesserei-Praxis 60 (2009) Nr. 5, S. 163-170.
[3] Giesserei Praxis 61 (2010) Nr. 1/2,
S. 26-31.
[4] Giesserei 97 (2010) Nr. 8, S. 34-37.
[5] ADAC Motorwelt (2009) Nr. 12, S. 26.
[6] Gravigny, F.: Polk View: The state of the
U.S. hybrid sector. R. L. Polk & Co., Southfield,
Mi, USA, 2009.
[7] Zewatsky, M.: Polk View: Asia pacific region
propels growth of hybrid market. R. L. Polk
& Co., Southfield, Mi, USA, 2010.
[8] Automobil Revue (2002) Nr. 37, S. 22.
[9] Niehues, J.: Leichtbau mit Motorblöcken
aus Aluminium. Bericht: KS Aluminium Technologie,
2008. http://lbsneu.schule-bw.de/.
[10] ATZ-extra in Werkstoffe Eisen (2007),
S. 976-980.
[11] Giesserei 92 (2005) Nr. 1, S. 22-29.
[12] Giesserei-Praxis (2003) Nr. 9, S. 378-387.
[13] Bähr, R.; Braunhardt, M.; Scharf, S.: Gießtechnische
Untersuchungen zur Serienüberführung
eines Zylinderkurbelgehäuses der neuesten
Generation. Magdeburger Maschinenbautage,
2009. Tagungsband S. 1-10.
[14] Braunhardt, M.: Untersuchungen zum
Schwerkraftkokillengießen von Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen.
Dissertation, Otto-von-
Guericke-Universität Magdeburg, 2012.
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