Leichtmetallguss

Die allgemeine Forderung nach stetiger Leistungs- und Effizienzsteigerung in allen Bereichen der Industrie macht es insbesondere für die Gießereibranche notwendig, neue Werkstoffe und geeignete Verfahrenstechniken im Druck-, Sand-, Präzisions- und Kokillenguss zu entwickeln. Der Forschungsbereich „Innovative Gießverfahren“ unterstützt diese Bemühungen durch die systemische Erforschung und Optimierung, aber auch Neuentwicklung von Gießprozessen. Hauptaspekte der Forschungsaktivitäten sind grundlegende Werkstoff-, Werkzeug- und Messtechnikentwicklungen, die dazu dienen, Guss und Leichtbaukomponenten in höchster geometrischer Komplexität und Präzision zu fertigen. Einen weiteren Schwerpunkt bilden hierbei Hybridtechnologien, die sich durch neuartige Werkstoff- und Prozesskombinationen (Guss, Blech, Kunststoff, Fasern) auszeichnen und dadurch zu einem gezielten Performancegewinn von Strukturbauteilen beitragen.

Exzellenzcluster Metallhybride

Exzellenzcluster „Internet of Production“ (DFG)

Laufzeit: 01.01.2019 – 01.01.2026

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut und zahlreiche RWTH Partnerinstitute aus den Bereichen Informatik, Maschinenbau, Werkstofftechnik, Mathematik, Human- und Wirtschaftswissenschaft.

Die kombinierte Anwendung etablierter Fertigungsverfahren, Konstruktionsprinzipien und Materialien eröffnet neue Perspektiven zur Realisierung maximaler Gewichtseinsparung und Leistungssteigerung sowie der Effizienzerhöhung von Produktionsprozessen. Durch Umgießen von Blecheinlegestrukturen aus Stahl oder Aluminium mit Al- oder Mg-Leichtmetallschmelzen werden hybride Bauteile gefertigt. Die form-, kraft- und stoffschlüssigen Verbindungen werden durch Lochungen im Einleger oder durch mikroskalige Anbindungsformen, wie funktionale Beschichtungen und Oberflächenstrukturen, sichergestellt.

Im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ wird der Metalldruck- mit dem Kunststoffspritzguss in einem zweistufigen Prozess kombiniert. In nur einem Formwerkzeug wird zunächst eine Aluminiumkomponente erzeugt, an die in einem zweiten Schritt eine Kunststoffkomponente angespritzt und adhäsiv angebunden wird.

Das Mehrkomponenten-Druckgießen (engl.: Multi-Component High Pressure Die Casting (M-HPDC)) hat aufgrund des erforderlichen Zusammenspiels zwischen den Einzelprozessen Druck- und Spritzguss eine vielzahl Parametern und Stellgrößen, welche Einfluss auf die Verbundausbildung nehmen. Neben der technischen Prozessentwicklung, liegt der Fokus im Rahmen des Exzellenzcluster "Internet of Production" (IOP) auf der Prozessdatenerfassung und -auswertung, dessen Erkenntnisse wiederrum unmittelbar in die Prozessentwicklung einfließen sollen. Die Vernetzung und Schaffung einer geeigneten Infrastruktur für die Datenerfassung stellen hierbei ein Hauptaugenmerk der aktuellen Arbeiten des GI im Rahmen des Teilprojektes B1.II dar.

Exzellenzcluster Ontologie für die Produktionsdaten

Exzellenzcluster „Internet of Production“ (DFG)

Laufzeit: 01.01.2019 – 01.01.2026

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut und zahlreiche RWTH Partnerinstitute aus den Bereichen Informatik, Maschinenbau, Werkstofftechnik, Mathematik, Human- und Wirtschaftswissenschaft.

Im Exzellenzcluster „Internet of Production“ (IoP) wird die Entwicklung des digitalen Schattens der Produktion und der zugehörigen Referenzinfrastruktur verfolgt. Hierbei ist es das Ziel, multidimensionale anwendungsspezifische Produktionsdatensätze zu erfassen, sicher zu transferieren und anschließend zu verarbeiten. Dies dient dem Ziel, in Echtzeit Rückschlüsse auf den laufenden Produktionsprozess ziehen zu können und bei Bedarf regelnd in diesen einzugreifen. Der horizontale Kaltkammer-Druckgießprozess ist einer der Demonstratoren in diesem multidisziplinären Projekt.

Es ist von hoher Wichtigkeit eine einheitliche Semantik in Form einer Ontologie für die Produktionsdaten zu entwickeln, damit unterschiedliche Wissenschaftsdisziplinen eine gemeinsame Sprache sprechen können. Folglich ist dies auch eine weitere wesentliche Zielsetzung im IoP

Nach der Speicherung sämtlicher Sensor- und Aktorsignale der Druckgießzelle können diese mit der Qualität der Gusstücke mittels geeigneter mathematisch und numerischer Modelle korreliert werden, um die Erkennung und Anpassung ungeeigneter Betriebspunkte der Systemkomponenten innerhalb der Druckgießzelle zu ermöglichen.

Optipor

Untersuchung der Keimbildungsmechanismen von Gasporen zur reproduzierbaren Einstellung und Optimierung des Porositätsprofils in Al-Si-Gusslegierungen zur Erhöhung des Widerstands gegen Ermüdungsschädigung im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen (AiF)

Laufzeit: 01.03.2020 – 28.02.2023

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut, Institut für Eisenhüttenkunde

Volumendefizite in Gussteilen wie Poren oder Lunker wirken sich durch ihren lokal spannungserhöhenden, rissähnlichen Charakter, abhängig ihrer Ausbildungsform und Position, negativ auf die statischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften aus. Ein immanentes Problem in der Gießereiindustrie ist, dass es bei der Vorhersage von Volumendefiziten Unsicherheiten gibt, da bezüglich der Keimbildungsmechanismen ungeklärte Einflussfaktoren vorherrschen. Die daraus resultierenden Prozessschwankungen und verringerten Fertigungssicherheiten führen zu erhöhten Sicherheitsbeiwerten und Materialeinsätzen beim Design-Prozess der Bauteile und damit zur einer Reduzierung der Leichtbaueffizienz.

Folglich ist das Ziel des Projektes die Keimbildungsmechanismen von Gasporen zu verstehen und dann anschließend gezielt anzuwenden, um das finale Porositätsprofil in Al-Si-Gusslegierungen reproduzierbar einzustellen und zu optimieren. Dabei soll das Porenbild von kantigen und verzweigten Schwindungsporen zu fein verteilten runden Wasserstoffporen verschoben und damit der Widerstand gegen Ermüdungsschädigung erhöht werden.

SFB1120 Präzisionsbestimmende Faktoren

SFB1120: Bauteilpräzision durch Beherrschung von Schmelze und Erstarrung in produktionstechnischen Prozessen (DFG)

Teilprojekt B8: Untersuchung präzisionsbestimmender Faktoren zur Minimierung von Verzug im Kokillen- und Druckgussprozess

Laufzeit (2. Phase): 01.07.2018 – 30.06.2022

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut

Verzug, Eigenspannungen und Heißrisse haben einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität von Gussteilen. Im Gießprozess entwickeln sich diese qualitätsmindernden Größen aus der Erstarrungsschwindung der Legierung gepaart mit der jeweiligen lokalen Eigenspeisung und den geometrischen Zwängen der Form auf das Bauteil. Daher ist ihre Reduzierung durch eine geeignete Bauteilgestaltung und Prozesskontrolle für Gießereien von großem Interesse. Die Entstehung von unerwünschtem Verzug oder Heißrissen kann prinzipiell bereits auf konstruktiver Ebene vor dem Guss oder während der Erstarrung über die Einstellung erforderlicher lokaler Abkühlbedingungen begegnet werden. Jedoch existieren hierfür zurzeit nur unzureichende Richtlinien oder Maßnahmen, da hierfür wesentliches Grundlagenwissen noch nicht zu Verfügung steht.

Übergeordnetes Ziel dieses Projektes ist daher die Erarbeitung des Verständnisses der fundamentalen Zusammenhänge zwischen Verzug sowie Heißrissen und den lokalen Abkühlbedingungen der schmelzflüssigen Phase mittels empirischer und experimenteller Methoden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollen Konzepte und Strategien abgeleitet werden, um die Bauteilqualität signifikant zu steigern. Mögliche Lenkungsmechanismen werden dabei auf vier Ansätzen eruiert: gusswerkstofflich, formwerkstofflich, bauteilkonstruktiv und formkonstruktiv.

Alternative Lagermetalle

Alternative Lagermetalle für Gleitlager

Entwicklung eines metallischen Laufschichtwerkstoffes für mechanisch und thermisch hochbelastete hydrodynamische Gleitlager.

Laufzeit: 01.06.2018 bis 30.11.2020

Forschungseinrichtungen: GI, IWM, ACCESS

Stetig steigende mechanische und thermische Belastungen in tribologisch beanspruchten Systemen führen zunehmend dazu, dass etablierte Gleitlagerlegierungen auf Weißmetallbasis an ihre Belastungsgrenzen kommen. Zudem lassen ökonomische und ökologische Aspekte, wie begrenzte Zinn-Ressourcen und toxische Wirkungen enthaltener Legierungselemente Zweifel an der Zukunftsträchtigkeit dieser Legierungen aufkommen.

Die Einsatzgebiete von Gleitlagern lassen sich grob in den Schwerlastbetrieb und den Schnelllaufbetrieb unterteilen. Im Rahmen des von der AiF geförderten Forschungsprojektes soll in Kooperation mit dem Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der RWTH Aachen und der ACCESS Technology GmbH ein Lagerwerkstoff entwickelt werden, welcher die positiven Eigenschaften von Schnelllauflegierungen adaptiert und die mechanische und thermische Belastbarkeit in Richtung von Schwerlastlegierungen verschiebt (Bild 1).

Hierzu werden mit Hilfe der Calphad Methode und der Simulationssoftware Micress die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften verschiedener Legierungen modelliert. Vielversprechende Ergebnisse werden systematisch auf ihre Gießbarkeit, sowie resultierende tribologische und mechanische Eigenschaften untersucht.

Eine detaillierte Analyse der entstehenden Gefüge soll zudem zum Verständnis und zur Optimierung der Eigenschaften beitragen. Die Legierungen mit dem größten Potential werden schließlich zur Herstellung und Analyse von Demonstratoren im Schleuderguss abgegossen.

BeSt-2

Behandlung von Stahlblechen für das Druckgießen spalt- und verzugsarmer Aluminiumguss/Stahlblech-Metallhybride (BeSt).

Laufzeit: 01.07.2020 – 30.06.2022

Forschungseinrichtungen:
Gießerei-Institut, Institut für Oberflächentechnik, Institut für Bildsame Formgebung

Während im Zuge des vorangegangenen Projekts ein grundsätzliches Verständnis über die form- und stoffschlüssige Anbindung zwischen Stahlblech und Aluminium-Druckgusskomponente erarbeitet wurde, wurden die unmittelbaren Einflüsse seriennaher Prozessrandbedingungen nicht im Detail erörtert.

Ziel des Projekts ist es, Korrelationen zwischen der Verbundqualität und den im Druckgussprozess vorliegenden Einflussgrößen in Form einer prozessabhängigen Kriteriumsfunktion abzubilden. Hierzu zählen sowohl die Prozessgrenzen des Ur- und Umformprozesses, als auch Einflüsse vorangehender und nachfolgender Produktionsprozesse.

Zu diesem Zweck wird ein serienkonturnahes Druckgusswerkzeug mit echtzeitfähiger in-situ Messtechnik instrumentiert. Die gewonnenen Messergebnisse dienen der Validierung von mittels Gießsimulation erzeugten Kriteriumsfunktionen und bilden eine Möglichkeit zur Evaluierung der Verbundqualität.