Fachartikel

26.04.2021
erschienen in GIESSEREI Heft 6|2021

Forschen für die elektromobile Zukunft

Shuttle-Ofen beim Einfahren unter das Gießportal.

Im Niederdruckgießen sowohl Aluminium als auch Kupfer und Salz schmelzen und vergießen? Das bietet seit diesem Frühjahr eine neue Niederdruckgießanlage am Fraunhofer IFAM. Vergossene Salzkerne können beim Druckgießen zur Herstellung hohler Bauteile, wie Motoren und Batteriegehäusen eingesetzt werden. Kupferguss eignet sich wegen seiner thermischen und elektrischen Leitfähigkeit ebenfalls für elektromobile Anwendungen.

VON CHRISTOPH PILLE, BREMEN

Das Niederdruckgießverfahren (kurz: ND-Guss) ermöglicht die gießtechnische Herstellung qualitativ hochwertiger Gussteile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, insbesondere aus dem Leichtmetall Aluminium. Es kommt vorzugsweise bei der Herstellung dickwandiger Gussteile zur Anwendung. Bekannt ist das Verfahren für das Gießen von Leichtmetallfelgen für Kraftfahrzeuge, Fahrwerkskomponenten mit hohen sicherheitsrelevanten Anforderungen oder Antriebskomponenten und Gehäusen.

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM mit Hauptsitz in Bremen bietet anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung im Bereich Gießereitechnik mit dem Schwerpunkt auf druckunterstützen Gießverfahren wie Druckgießen, Niederdruckgießen und druckunterstütztem Feingießen. Seit 2015 bietet das Fraunhofer IFAM Anlagentechnik zum Niederdruckgießen an.

Werkstoff wechseln mit dem Tiegel-Schnellwechsel-System

Seit Frühjahr 2021 steht nun am Standort Wolfsburg eine neue Niederdruckgießanlage für industrienahe, angewandte Forschung zur Verfügung. Die Anlagentechnik bietet eine Innovation für das Niederdruckgussgießen: sie ermöglicht sowohl das konventionelle Schmelzen und Vergießen von Aluminium als auch von hochschmelzenden Metallen wie Kupfer.

Ermöglicht wird diese Multi-Funktionalität durch ein neuartiges „Tiegel-Schnellwechsel-System“ in Verbindung mit einer besonderen Schmelztechnologie, die sowohl direktes als auch indirekt induktives Schmelzen bietet. Auf diese Weise können sowohl konventionelle Metalle wie Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze, Magnesium oder Stahl geschmolzen werden, aber auch nicht-metallische Schmelzen wie z.B. Salz-Mischungen können geschmolzen und vergossen werden.

Diese Technologie ermöglich das industrialisierbare Herstellen hoch qualitativer Salzkernen im Niederdruckgießverfahren. Solche als „verlorene Kerne“ bezeichneten Kerne aus Salz stehen derzeit im Fokus der Entwicklungen für den Einsatz im Druckgießverfahren zur Herstellung hohl gegossener Bauteile wie Motor- und Batteriegehäuse. Die neue Niederdruckgießanlage bietet eine Schmelzleistung von max. 130 kW für eine Schmelztemperatur von bis zu 1650 °C. Das Schmelzvolumen beträgt 110 Liter und der Gießdruck bis 1,0 bar.

Die untere Aufspannfläche von 1310 x 1290 mm² kann Werkzeuge bis zu einem Gesamtgewicht von 3500 kg aufnehmen. Die obere Aufspannfläche von 1200 x 1200 mm² ermöglicht eine Schließkraft von max. 60 t. Durch einen vertikal verfahrbaren Ofenraum wird eine freie Zugänglichkeit des Schmelz- und Warmhaltetiegels und somit ein schneller Legierungswechsel ermöglicht. Neben der flexiblen Verarbeitung verschiedener Schmelzen kann die Anlage ebenfalls sowohl konventionelle Stahlkokillen als auch Sand- oder Halbkokillen bedienen und bietet derzeit somit im Bereich der gießtechnischen Forschungslandschaft hohe Flexibilität und Innovationspotenzial.

Breites Einsatzspektrum für die Forschung

Das neue Anlagenkonzept ist in Zusammenarbeit mit der Tegisa Giessereianlagen und Industrieöfen GmbH entstanden. Es basiert auf einem Prototyp dieses neuartigen Anlagenkonzeptes, der 2015 erstmalig am Fraunhofer IFAM in Bremen in Betrieb genommen wurde. Seither wurde die erste ND-Gießanlage dieser neuen Bauart insbesondere zum Vergießen von Kupfer, Messing und Salz langjährig erfolgreich eingesetzt und weiterentwickelt. Derzeit wird das Anlagenkonzept des Prototyps für das Vergießen von Stahl weiterentwickelt.

Zur Erweiterung des Angebotes für den konventionellen Aluminium-Niederdruckguss hat das Fraunhofer IFAM in eine weitere Niederdruckgießanlage im Industriestandard vom Typ Kurtz AL 16-12 investiert. Die Serienanlage wird noch in 2021 installiert. Im Fokus der Forschung stehen aktuell verschiedenste Technologie-Ansätze. Beispiele sind das Verbundgießen zur Integration metallischer Strukturen und Profile (aus Aluminium oder Stahl) direkt in das Gussbauteil, die Kombination der Prozesse Niederdruckguss mit artfremden Ur- oder Umformprozessen (z.B. bei der Blechumformung oder beim Kunststoffspritzguss) oder die Herstellung gegossener Rotoren für elektrische Antriebe im Niederdruckgießen – eine Technologie, die bisher vom Druckgießverfahren dominiert wird.

Die umfangreichen Kompetenzen zum Gießen verlorener Kerne – insbesondere aus Salz – können zukünftig dank der neuen, größeren Anlagentechnik hin zu einer seriennahen Umsetzung ausgebaut werden. Und die neuartigen Möglichkeiten zum Gießen von Kupfer im Niederdruckgießen bieten ein neues Potenzial zum Herstellen von Komponenten mit hoher thermischer und elektrischer Leifähigkeit – insbesondere für die elektrisch angetriebene Zukunft.

www.ifam.fraunhofer.de/giessereitechnologie