Ultaschallunterstützter Verbundguss
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsprojekt ist es durch den Einsatz von Ultraschall im Verbundgussprozess gelungen, stoffschlüssige Verbindungen zwischen einem Einlegeteil aus Kupfer und einer Aluminium-Gusslegierung herzustellen, die ohne die Wirkung des Ultraschalls nicht zustande gekommen wären. Hierfür wurden im Sand- und Kokillengussverfahren feste Einlegeteile in der Gussform mit Reinaluminium und der Gusslegierung AlSi9Cu3 angegossen, während die Bildung stoffschlüssiger Verbindungen mittels Ultraschall erzeugter Kavitation verbessert wurde. Hierfür haben sich, in Abhängigkeit weiterer Versuchsparameter, Anregungszeiten zwischen 15 s und 30 s als ausreichend erwiesen. Es ist gelungen den positiven Einfluss der durch die Schalleinwirkung in der Schmelze erzeugten Kavitation auf die Benetzung und Ausbildung stoffschlüssiger Verbunde von Einlegeteilen und Schmelze nachzuweisen. Die dem Phänomen der Kavitation zugeschriebene Reinigungswirkung auf die Oberfläche von Einlegeteilen basiert auf einem Abtrag der vorhandenen Oxidschicht sowie weiterer Verunreinigungen und führt dadurch zu einer besseren Benetzung durch die Metallschmelze. Dabei werden auch raue Oberflächen, wie sie beispielsweise durch das Sandstrahlen entstehen, deutlich besser benetzt. Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop bestätigten den stoffschlüssigen Verbund der hergestellten Komponenten. Derartige Verbindungen weisen, im Gegensatz zu den herkömmlichen mechanischen Fügeverfahren oder Lötprozessen, technologische Vorteile auf, insbesondere durch eine erhöhte thermische Leitfähigkeit. Da der Fügeprozess zudem im Urformvorgang stattfindet, entfällt in diesem Fall ein Prozessschritt für das Fügen der einzelnen Komponenten. Neben der Erzeugung von stoffschlüssigen Verbunden mit hoher thermischer Leitfähigkeit wurde ein Verfahren zur Detektion von Kavitation in Flüssigkeiten erforscht und erfolgreich auf die Anwendbarkeit in intransparenten Medien bei hohen Temperaturen geprüft. Bei diesem Verfahren wird der zur Kavitationserzeugung genutzte Aktor gleichzeitig als Sensor genutzt. Die Rückwirkung des erzeugten Kavitationsfeldes auf den Aktor dient hierbei zur Kavitationsdetektion. Diese Art der Kavitationserkennung kann generell auf Prozesse mit akustischer Kavitationserzeugung angewendet werden, ohne dass eine optische Prüfung oder zusätzliche Sensorik notwendig ist. Freytag, P.: Aus einem Guss: Kühlkörper aus Aluminium und Kupfer, 2014, http://www.phi-hannover.de/forschung/artikel/detail/aus-einem-guss-kuehlkoerper-aus-aluminium-und-kupfer/
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ultrasonic assisted simultaneous composite casting - A feasibility study. 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium, Dresden, 2012, pp. 775-777
Saalbach, K. A., Freytag, P., Kerber, K., Twiefel, J
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Bond quality investigation of ultrasonic assisted composite casting. In: IWPMA & EHW, 14.-18.07.2013: 10th International Workshop of Piezoelectric Materials and Applications in Actuators, 8th Annual Energy Harvesting Workshop, Hannover, 2013
Saalbach, K. A., Freytag, P., Kerber, K., Twiefel, J.
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Sound field design for ultrasonically assisted composite casting. In: Proceedings of the 11th International Conference on Vibration Problems, Lisbon (Portugal), 2013
Saalbach, K. A., Twiefel, J., & Wallaschek, J.
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Verbundguss von Aluminium und Kupfer für Anwendungen als Hochleistungskühlkörper. In: Giesserei Praxis 66, 2015 (10/2015), S. 459–462
Freytag, P., Demminger, C.
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Self sensing cavitation detection capability of horn geometries for high temperature application. Journal of Vibroengineering, Vol. 18, Issue 2, 2016, p. 989-998
Saalbach K. A., Twiefel J., Wallaschek J.
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Utilizing the Transducers Self-Sensing Capabilities for Process Monitoring of Ultrasonic Assisted Composite Casting of Aluminum on Copper. 5th Meeting of the European Society of Sonochemistry-ESS15, Istanbul (Turkey), June 27-July 1, 2016
Saalbach, K.A., Twiefel, J.
