Druckguss Ausschuss beim Druckguss vermeiden

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Niederdruckguss-Verfahren ermöglichen eine effiziente Produktion. Wird das Gussteil jedoch komplexer, nimmt die Gefahr von Porosität durch Hotspots auch in diesem Verfahren zu. Die richtigen Lösungsansätze hierfür bietet Magmasoft.

Das chinesiche Unternehmen BMW Brilliance Automotive Ltd. (BBA) gießt Zylinderblöcke aus der Aluminiumlegierung A356 im automatisierten LPDC-Verfahren. Das Joint Venture wurde 2003 zwischen der BMW und der Brilliance Group gegründet. BBA ist in den Bereichen F&E, Beschaffung, Produktion, Vertrieb und Kundendienst von BMW-Automobilen tätig und verfügt über eine Produktionsstätte in Shenyang und Niederlassungen in Peking und Shanghai.

Um Motorvibrationen zu reduzieren, benötigen die im Niederdruckguss hergestellten Zylinderblöcke Ausgleichswellen. Diese werden in Ausgleichswellenbohrungen installiert. Damit diese direkt beim Gießen vorgeformt werden, setzte BBA an zwei Stellen Sandkerne ein.

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Die Ingenieure bei BBA haben vermutet, dass dies zu Gussfehlern im Bereich der Sandkerne führe: So sei die Wandstärke dort zu gering, um eine angemessene Nachspeisung zu gewährleisten, was beim Erstarren Hotspots erzeuge. Um ihre Vermutung zu bestätigen, haben sie daher einen fertigen Prototypen geröntgt und Porosität oberhalb der rechten Ausgleichswellenbohrung festgestellt.

Bauteil unter realen Gießbedingungen simulieren

Die Experten haben berechnet, dass die Porosität eine Ausschussrate von mindestens einem Prozent und einen laufenden Qualitätssicherungsaufwand verursachen würde. Um den Fehler zu beheben, simulierten sie das Bauteil mit Magmasoft unter realen Gießbedingungen des Prototyps. Die Simulationsergebnisse zeigten den Hotspot, der die Porosität verursachte. Doch konnte er auch beseitigt werden?

BBA gab vor: Der Prozess solle weiterhin ressourcen- und energieeffizient bleiben. Unter diesen Voraussetzungen entfielen daher Speiser als Lösung, um die Ausbringung nicht zu reduzieren. Stattdessen könnten die Temperatur der Schmelze, die Heiztemperatur des rechten Seiten- und des Unterformteiles und die Startzeit der Kühlung derselben Teile angepasst werden, ohne die Energiebilanz zu beeinflussen. Die Anwender kombinierten mit Magmasoft diese Gießparameter und berechneten 72 realisierbare Varianten. Diese wurden hinsichtlich der Porosität bewertet und sortiert: Bei Variante 36 ist sie am geringsten.

Höhere Temperatur der Schmelze mit größtem Effekt

Um die Ergebnisse genauer auszuwerten, half die Haupteffektmatrix. Die Anwender berücksichtigten so qualitative Ziele, wie Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit. Dabei stellten sie fest, dass eine höhere Temperatur der Schmelze den größten Effekt hat: Steigt die Temperatur, verringert sich die Porosität erheblich. Wird das untere Formteil verzögert gekühlt oder stärker vorgeheizt, nimmt die Porosität geringfügig ab. Hingegen vergrößert sich die Porosität, wenn die Vorheiztemperatur des rechten Seitenformteils erhöht oder die Kühlung verzögert wird.

Mit diesen Erkenntnissen konzentrierten sich die Ingenieure zunächst auf die Temperatur der Schmelze und simulierten den Guss mit einer Gießtemperatur von 730 °C. Das rechte Seitenformteil wird für 200 Sekunden gekühlt, sobald die Schmelze den Anschnitt erreicht. Diese Parameter, so die Berechnung, sollten den Ausschuss halbieren. Das reichte den Ingenieuren jedoch noch nicht, daher suchten sie weitere Verbesserungsmöglichkeiten. Sie fanden einen Ansatz im Anteil flüssiger Schmelze zwei Minuten nach der Füllung. Zu diesem Zeitpunkt entsteht oberhalb der rechten Ausgleichswellenbohrung ein isolierter Restschmelzebereich.

Sandkern verkleinern – Durchfluss erhöhen.

Der dort eingesetzte Sandkern behindert jedoch die Nachspeisung, sodass der kritische Bereich nicht gespeist werden kann. Wird die Durchspeisung erhöht, wird der kritische Bereich ausreichend gespeist und der Fehler vermieden. Die Gießer schlugen vor, den Sandkern zu verkleinern, um den Durchfluss zu erhöhen.

Hierzu entfernten die Anwender mit Magmasoft nacheinander Kreissegmente mit jeweils 5, 10 und 15 mm Breite aus der linken Hälfte des Sandkerns und simulierten die Erstarrung: Entfernen sie ein 10 mm breites Kreissegment aus dem Sandkern, erhöht dies den Durchfluss und beseitigt die Porosität im Gussteil. Eigentlich wäre das Problem nun gelöst, oder? Allerdings bemerkte der zuständige Zerspanungstechniker: Die asymmetrische Bohrung würde das Bearbeitungswerkzeug ungleichmäßig beanspruchen und viel schneller verschleißen.

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Er schlug vor, den Durchmesser der Ausgleichswellenbohrung anzupassen und so das Bearbeitungswerkzeug gleichmäßig zu beanspruchen. Ursprünglich betrug er 36,5 mm. Die Anwender simulierten das Gussteil mit einem Durchmesser von 32, 28, 24 und 20 mm: Die Porosität reduzierte sich bei einem Sandkerndurchmesser von 28 mm um ein Drittel und verschwand bei 20 mm vollständig. Ein Durchmesser von 20 oder 24 mm müsste aufwendiger nachbearbeitet werden. Gleichzeitig nimmt die Stabilität des rechten Kerns mit diesen Durchmessern ab. Wenn er bricht, entsteht Ausschuss. Ein Durchmesser von 28 mm war ein Mittelweg: Der Mehraufwand in der Nachbearbeitung ist unerheblich und die Stabilität des Kerns garantiert.

Angepasste Parameter minimieren Ausschuss extrem

BBA testete dieses Design in einer ersten Charge an 100 Zylinderblöcken. Röntgenaufnahmen zeigten nach dem Guss: Sie waren alle fehlerfrei. In einer zweiten Charge goss BBA 1000 Einheiten. Sie zeigten auch keine Mängel. Die Ergebnisse waren für die Serienproduktion in Ordnung. Der Ausschuss war durch die angepassten Parameter und Designänderungen minimal, ohne, dass sich die Ausbringung erheblich reduzierte oder der Energieaufwand merklich zunahm.

Typische Gussfehler wie Porosität lassen sich auch im Niederdruckgussverfahren nicht immer vermeiden. In Problemfällen passen Magmasoft-Anwender Gießparameter und Design von Gießsystem oder sogar Bauteilgeometrie an. Gießereien vermeiden damit nicht nur Ausschuss, sondern profitieren von verfahrenstypischen Vorteilen, wie gleichmäßiger Füllung, hoher Ausbringung und Prozessautomatisierung. So ermöglicht es Magmasoft, Ideen der Gießer autonom, zeitnah und wirtschaftlich nachzugehen und so die beste Lösung für den Produktionsprozess zu finden. Ganz ohne kosten- und zeitaufwendiges Ausprobieren. 

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