Hohl- und Verbundguss von Druckgussbauteilen - numerische Auslegungsmethoden und experimentelle Verifikation

Abstract

Die Herstellung von Aluminiumstrukturbauteilen mit Hinterschnitten erfordert laut Stand der Technik komplexe Schieber. Bekannte Sandsysteme, Gasinjektionsverfahren, Glaskerne, metallische Ausschmelzkerne oder gepresste Salzkerne sind nur durch Restriktionen des Druckgussprozesses einsetzbar. Somit haben aktuell nur Salzkerne, die aus der flüssigen Phase hergestellt werden, sowie verbleibende metallische Einleger das Potential, im Druckguss verwendet zu werden. Gegossene Salzkerne erreichen hohe Biege- und Druckfestigkeiten und können nach dem Umgussprozess z. B. durch Hochdruckwasserstrahlen rückstandslos entfernt werden. Einleger aus Stahl, die nach dem Umgussprozess im Bauteil verbleiben, stellen eine zusätzliche Verstärkung des Aluminiumbauteils dar. Im Rahmen der Arbeit werden experimentelle Grundlagen zur Herstellung von gegossenen Salzkernen erarbeitet. Aus Voruntersuchungen mit verschiedenen Salzlegierungen im Natriumchlorid-Natriumcarbonat-Phasendiagramm wird eine Zusammensetzung für weiterführende Untersuchungen ausgewählt. Mit Hilfe einer entwickelten Prinzipgeometrie werden die Abhängigkeiten zwischen den Prozessparametern und den resultierenden Festigkeiten sowie der Warmrissanfälligkeit untersucht. Für eine mechanische Charakterisierung werden Biege-, Zug-, und Druckversuche bei Raum- und weiteren Temperaturen durchgeführt. Für die numerische Abbildung des Salzkernherstellungsprozesses werden Simulationsmethoden erarbeitet und anhand experimenteller Untersuchungen verifiziert. Neben den Salzkernen werden Stahleinleger im Druckguss betrachtet und der Verbund experimentell charakterisiert, wobei kraft-, form- und stoffschlüssige Verbindungen betrachtet werden. Für die Verbesserung der stoffschlüssigen Anbindung werden unterschiedliche Beschichtungen appliziert und bewertet. Die Charakterisierung der Anbindungsqualität erfolgt mittels mechanischer Auszug-, Ausdruck-, Scherzug- und Haftzugprüfungen sowie Licht- und Rastermikroskopie. Darauf aufbauend werden Simulationsmethoden entwickelt, um kraft-, form-, und stoffschlüssige Verbindungen numerisch darzustellen. Die Einlegerbelastung und das Schädigungsverhalten der Salzkerne und Stahleinleger werden in Druckgussumgussversuchen untersucht. Eine Simulationsmethodik für die Vorhersage der Einlegerbelastung wird entwickelt und verifiziert. Beide Technologien werden zudem auf Anwendungsbeispiele übertragen und die Vorgehensweise und die Erkenntnisse aus den Prinzipversuchen angewendet.