Infiltration bschichteter Freeze-Casting Preforms durch innovative Druckgießprozesse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben war Bestandteil eines DFG-Paketantrags, dessen Gesamtziel in der Verfahrens- und Werkstoffentwicklung für selektiv verstärkte Leichtmetall- Gussteile lag. Die selektive Verstärkung erlaubt die lokale Anpassung von Werkstoffeigenschaften wie Verschleißbeständigkeit oder thermische Ausdehnung an die Anforderungen. Aufgabe des hier dargestellten Teilprojekts war die Verfahrensentwicklung zur Infiltration geeigneter Keramik- Preforms als Verstärkungskomponente durch das hochproduktive Druckgießverfahren. Die Herausforderungen bei der Infiltration lagen einerseits in der beim Druckgießen erforderlichen sehr kurzen Formfüllzeit und an dem nach der Formfüllphase benötigten hohen Nachdruck. Als weitere Aspekte kamen hinzu, die Entwicklung eines Entlüftungsverfahrens, das auch eine Entlüftung der Preformkörper ermöglichte und ein rascher Wärmeabfluss aus dem infiltrierten Keramikkörper. Beim Druckgießverfahren wird das Gießmetall mittels Druck in geteilte metallische Dauerformen gegossen. Die Formfüllung erfolgt unter einer hohen, einstellbaren Strömungsgeschwindigkeit. Das Gießmetall befindet sich im Formhohlraum während des Füllvorgangs unter dem Umgebungsdruck, am Ende der Formfüllung unter einem hohen statischen Druck. Der Druck am Ende der Formfüllung lässt das noch flüssige Gießmetall auch in engste Preformkanäle eindringen. Pulvermetallurgisch hergestellte keramische Preforms haben eine geringe Permeabilität. Beim Infiltrieren treten hohe Kräfte und damit Brüche auf, und es kommt bei hohen Infiltrationsgeschwindigkeiten leicht zum Verstopfen der feinen Poren. Bei den im Projekt hergestellten Freeze Casting Preforms konnte eine Infiltration bei mit geringem Druck erreicht werden, der zu keiner Zerstörung der Preformkörper führte. Aufbauend auf Erfahrungen bei der Infiltration von porösen Preformstrukturen wurde ein spezielles Gießwerkzeug hergestellt, das die Probleme der Formentlüftung sowie der Temperierung der Preform deutlich verbesserte. Mit dem eingesetzten Chill-Vent- Block konnte auch eine Zwangsentlüftung mit einer Vakuumanlage verwirklicht werden. Die Temperierung im Bereich der Preform erfolgte mit einem wassergekühlten Kupferblock mit direktem Kontakt zur Preform. Eine gießtechnische Berechnung diente der Erstellung eines Versuchsplans für die Parameterwahl der Fertigungsbedingungen. Anhand der im ProEngineer® erstellten Daten wurde mit der Simulationsoftware MAGMASOFT® eine Formfüll-, sowie eine Erstarrungssimulation durchgeführt. So konnte voraus berechnet werden, dass eine Kupferblocktemperierung die Hotspot Bildung zwischen Preform und Gussplatte vermeiden kann. Ergebnisse: Im Gegensatz zu anderen Gießverfahren wird beim Druckgießen die im Formhohlraum, im Gießsystem und in der Gießgarnitur befindliche Luft im Bauteil auf Grund der Formfüllbedingungen und der Kompressibilität von Gasen teilweise eingeschlossen. Bei Verwendung von Zwangsentlüftungen ist der Anteil der eingeschlossenen Luft gering, beim Einsatz von Entlüftungskanälen mittel und in allen anderen Fällen hoch. Die im Formhohlraum und in der Preform vorhandene Luft reduzierte nicht nur die Dichte des Bauteils, sie behinderte vor allem die Infiltration der Preform und musste daher weitgehend beseitigt werden. Die Druckverluste bei Kapillarströmungen wurden berechnet und mit den Messungen verglichen. Eine reine Chillblockentlüftung verbesserte die Infiltration kaum. Erst die Vakuumunterstützung, die vom Beginn des Gießens bis zur vollständigen Formfüllung aktiv ist und mit einem konstanten Druckgefälle von ca. 0,95 bar arbeitet, beseitigte die Bildung von Lufteinschlüssen in der Preform. Entscheidend für die optimale Entlüftung stellte sich die lamellare Preformstruktur heraus, die die Druckverluste sowohl für die Strömung der Gase als auch für die Strömung des Gießwerkstoffes erheblich verringert. Maßgebend für die Druckverluste unter Druckgießbedingungen sind die Darcy-Gesetze. Mit Hilfe der Gießsimulation (Magmasoft) konnten geeignete Prozessbedingungen (Kupferblock) ermittelt werden, um die Entstehung von Lunkern zu umgehen, da der Wärmestrom aus dem infiltrierten Preformkörper deutlich niedriger ist als aus einem Aluminiumwerkstoff gleicher Dicke. Bei Verwendung des wassergekühlten Kupferblocks erfolgte die Erstarrung deutlich schneller und nur so konnte eine lunkerfreie Infiltration erreicht werden. Für die Qualitätskontrolle der infiltrierten Preforms konnte die dreidimensionale Computertomographie mit einer Mikrofokusröhre angewendet werden. Damit war es möglich, Keramik, Metall und Luft sehr bezüglich der Grauwertverteilung deutlich zu trennen und deren Anteile zu quantisieren. Insbesondere war bei der sehr feinen Lamellenstruktur bei den höchsten Einfriergeschwindigkeiten eine Beurteilung der Infiltration gegeben. Neue Fragen aus den Arbeiten im eigenen Teilprojekt haben zu weiteren Projekten geführt, wie „Drei-D-Freiform" zur Ermittlung der Herstellung von funktionalen Hohlräumen im Druckguss und "PGDS" Untersuchungen zur Modifizierung der Formfüll- und Nachdruckgestaltung durch ein veränderliches Angusssystems. Sowohl in diesen Vorhaben als auch beim konventionellen Druckgießen können die Erfahrung aus der Preforminfiltration insbesondere die Werkzeug- und Sensortechnik für Entlüftung und Wärmestromsteuerung verwendet werden.
