Optimierter Leichtbau aus einem Guss

Werkstoffe

Leichtbau – Ein spezielles Gießverfahren ermöglicht die Herstellung von gewichtsparenden Aluminium-Feingussteilen mit gleichmäßiger Festigkeit auch bei unterschiedlicher Materialstärke.

16. Februar 2012

Ein wesentliches Element von Leichtbaukonstruktionen ist der Einsatz von Aluminiumbauteilen aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihres geringen spezifischen Gewichtes. Als Urformverfahren prädestiniert ist dabei das Feingießen, insbesondere für Aluminiumwerkstoffe: Es gestattet die Herstellung großer, dünnwandiger Teile mit höchster Komplexität, Oberflächengüte und Maßgenauigkeit. Konstrukteure erhalten so grundsätzlich einen hohen Freiheitsgrad bei der Produktgestaltung.

Der limitierende Faktor für den Einsatz dieser Bauteile sind jedoch die Festigkeitswerte des Werkstoffes Aluminium. Der Metallwerkstoffspezialist Zollern aus Sigmaringendorf-Laucherthal in Baden-Württemberg hat deshalb sein Technologieportfolio um das sogenannte Sophia-Verfahren erweitert. Diese spezielle Gießtechnologie wurde mit dem Ziel entwickelt, in komplexen Aluminiumfeingussteilen auch bei sehr unterschiedlichen Wanddicken im gesamten Bauteil ein feinkörniges und gleichmäßig dichtes homogenes Gefüge zu erzeugen.

Das Sophia-Verfahren ermöglicht eine gezielte Beeinflussung der Gefügestrukturen von Bauteilen durch einen gesteuerten Abkühlvorgang der Schmelze nach dem Feingießen. Dazu wird das Bauteil nach dem Gießen in Abhängigkeit von Bauteilstruktur und Wanddicke computergesteuert in ein spezielles Kühlmedium eingetaucht und je nach Eintauchtiefe unterschiedlich lange gehalten.

Die Haltedauer des Gussteils im Medium variiert dabei über den gesamten Abkühlprozess und über den gesamten Bauteilquerschnitt hinweg. Dadurch erstarrt die Schmelze schneller und gleichmäßiger als beim konventionellen Feinguss. Die gezielte Steuerung des Abkühlvorganges bewirkt, dass dick- und dünnwandige Bereiche gleichmäßig schnell abkühlen.

Das Resultat ist ein homogenes, feinkörniges und dichtes Gussgefüge mit außergewöhnlich guten statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften. So zeigt beispielsweise die Analyse der Mikrostrukturen eines Bauteils aus der Legierung A357, dass der durchschnittliche sekundäre Dendritenarmabstand (DAS) beim Einsatz des Sophia-Verfahrens mit 40 und 60 Mikrometern wesentlich kleiner ist als beim konventionellen Feingussverfahren, wo dieser Wert zwischen 70 und 150 Mikrometern schwankt und zudem deutlich von der jeweiligen Gusswanddicke abhängt.

Höchste Qualität

Im Ergebnis zeichnen sich Sophia-Bauteile durch signifikant höhere Zugfestigkeits- und Dehnwerte aus. Die deutlich geringere Streuung dieser Werte belegt zudem das hohe Qualitätsniveau, das mit dem Verfahren erreicht wird. Die hohe Qualität der Abgüsse ermöglicht es damit, zukünftig Premium-Gussteile mit dem Gussfaktor CF=1 auszulegen. Das große Potenzial des Verfahrens liegt in der Verbindung der durch das Gießverfahren möglichen anspruchsvollen Bauteilgeometrien mit Leichtbau und hohen Festigkeitswerten.

Das gleichmäßig hohe Qualitätsniveau des Sophia-Verfahrens ermöglicht so den Einsatz von Aluminiumfeingussteilen in vielen innovativen Neuentwicklungen, wie zum Beispiel bei Gussteilen für den Motorsport, die Luft- und Raumfahrttechnik oder den Maschinenbau. Entsprechend kommen viele Kunden des Unternehmens aus der Luftfahrtindustrie, und neueste Flugzeugtypen fliegen mit hoch belastbaren Aluminiumfeingussteilen, die im Sophia-Verfahren hergestellt werden.

Ein anspruchsvoller Bereich ist auch der Motorsport. So setzte der Motorradhersteller BMW in der Saison 2011 der Superbike-Weltmeisterschaft für seine Rennboliden erstmals Hinterradschwingen ein, die nach intensiver Entwicklungsarbeit aus hochfestem Aluminiumfeinguss von Zollern hergestellt wurden.

Die Hinterradschwinge ersetzte die gefräste Vorjahreskonstruktion und brachte den Fahrern eine Gewichtsersparnis von bis zu 20 Prozent. Die dementsprechende Reduzierung der ungedämpften Masse am Motorrad führt zu einer Verbesserung der Fahreigenschaften. Das Aluminiumbauteil des Werkstoffes A 357 hat eine Größe von 650 x 260 x 350 Millimeter und ein Gewicht von weniger als sechs Kilogramm.

Ständige Weiterentwicklung

Derartige Nischenanwendungen nutzen die Gießerei- und Schmiedetechnikspezialisten, um den Sophia-Prozess fortlaufend zu optimieren und die damit verbundenen Erkenntnisse in andere Serienanwendungen zu überführen. Ein aktuelles Beispiel für ein sicherheitsrelevantes Bauteil für die Automobilindustrie ist ein Leichtbau-PKW-Federdom aus hochfestem Aluminiumfeinguss, mit einer konstanten Wandstärke von weniger als 1,8 Millimetern.

-Die Zollern Gruppe mit Hauptsitz in Sigmaringendorf-Laucherthal ist ein führender Hersteller der metallverarbeitenden Industrie.

-Das 1708 von Prinz Meinrad II. von Hohenzollern-Sigmaringen gegründete Unternehmen betätigt sich heute in den Geschäftsfeldern Gießerei- und Schmiedetechnik (Sandguss, Feinguss), Antriebstechnik (Getriebe, Winden, Direktantriebe, Auto-matisierungstechnik), Lagertechnik (Gleitlager, Hydrostatische und Aerostatische Lager), Stahlprofile und Maschinenbauelemente.

-Mit 15 eigenen Werken und Niederlassungen in Europa, Amerika und Asien ist die Unternehmensgruppe in allen Industrieregionen der Welt vertreten.

-Die Kernbranchen der Unternehmensgruppe sind die Energieerzeugung, die Fahrzeugtechnik, die Luft- und Raumfahrt, die Marineindustrie, die Baumaschinenindustrie und der Maschinenbau.

Erschienen in Ausgabe: 01/2012