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Neue Maschine ersetzt komplette Gießanlage
Die vier halbfesten Metallgießverfahren Thixomolding®, Thixocasting, Rheocasting, die dehnungsinduzierte Schmelzaktivierung sowie das Kaltkammer- und Heißkammer-Druckgießen erfüllen nicht Erwartungen der Endverbraucher. Auch andere Verfahren wie das Vakuum-Druckgießen überzeugen nicht in Bezug auf Qualität, Einfachheit, Energieeinsparung, Sicherheit für Menschen, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit. Eine neue Form-und Gießmaschine muss her.
Darstellung des Energieeintrags und des Schussgewichts für eine 430-Gramm-Motorhalterung in Abhängigkeit vom Prozess.Sebastian Müller, Professor am Institut für Gießereitechnik (FAU-LGT) in Fürth der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, hat eine Studie zum Energieverbrauch von 190 Leichtmetallgießereien in Deutschland im Jahr 2019 durchgeführt. Die Energieeffizienz lag lediglich bei 6,2 Prozent. Mit entsprechender Technologie lässt sich mehr rausholen. Die MAXImolding®-Technologie senkt den Energieverbrauch um 94 Prozent und den Materialverbrauch um 50 Prozent, und das ohne schädliche Emissionen.
Magnesiumbehandlung zur Partikelreinigung und -aufbereitung
In der Magnesiumbehandlung wird Magnesium-Granulat verwendet und dieses entkontaminiert, entfettet, getrocknet und gleichmäßig auf maximal etwa 200 Grad Celsius erhitzt. Die Temperatur des Ausgangsmaterials über das Volumen des Aufbereiters muss gleichmäßig innerhalb von plus/minus 5 Prozent von der Solltemperatur bleiben. Diese wird durch zwölf strategisch platzierte Thermoelemente gemessen. Der Aufbereitungsprozess von Raumtemperatur bis zur Solltemperatur sollte mithilfe von Inertgas - wie Argon, Stickstoff oder Kohlendioxid - stattfinden. Eine präzise Dosierung des Ausgangsmaterials ermöglicht eine Materialdosierung mit einer Abweichung von 2 Prozent vom Sollwert und einer Wiederholbarkeit von plus/minus 5 Gramm.In der zweiten Stufe einer neuen halbfesten Gießmaschine werden vorgewärmte Magnesiumpartikel in die Hauptgießmaschine eingespeist, die durch Wärmezufuhr das feste Magnesium in eine halbfeste Masse umwandelt. Das Material fließt dann wie Honig und befindet sich doch oft bei Temperaturen, die 100 Grad Celsius unter der derzeitigen Abgusstemperatur liegen, was zu einem erheblichen Energievorteil führt.
Das neue einstufige Thixocasting (SSM) vereinfacht den halbfesten Druckgussprozess noch weiter, da kein komplexer Extruder wie bei Thixomolding®-Maschinen zum Einsatz kommt.
Stattdessen wird eine kugelförmige, halbfeste Schmelze erzeugt, indem mechanisch beanspruchte Magnesiumspäne allein unter dem Einfluss von externer Hitze geschmolzen werden. Eine Scherung der Späne im Extruder ist nicht erforderlich. Die kalt verformte Struktur mechanisch zerkleinerter Späne ist von der gleichen Art wie die eines Thixoforming-Bolzens, der durch die dehnungsinduzierte Schmelzaktivierung (SIMA) erzeugt wird.
Strukturelle Integrität und Temperaturuniformität sicherstellen
Ein deutlicher Fortschritt bei der Herstellung von Gussteilen mit hoher Qualität wird durch die Verwendung von stranggepressten, kaltgewalzten oder mechanisch beanspruchten Magnesiumspänen erzielt, um kugelförmiges, mikrostrukturiertes, halbfestes Slurry herzustellen, das für die Einspritzung in eine Dauerform verwendet wird. Das ist ein Unterschied zum Thixocasting: Da werden stattdessen Bolzen genutzt. Gewöhnliche Späne können durch einfaches Wiedererhitzen auf halbfeste Temperatur verarbeitet werden, da mechanische Restspannungen durch den Spanprozess verursacht werden.Die gebrochenen Magnesiumspäne werden aus der Standard-Druckgusslegierung AZ91D hergestellt, die auf dem Markt leicht erhältlich ist. Die ovale Form und Größe der Späne verbessern den Materialfluss und die Wärmeenergieaufnahme aufgrund der großen Oberfläche. Die neue Maschine führt die Späne unter einem Stopfstab durch. Die Stopfstangen stoßen die Späne in die Stopfzylinder, die zum Erhitzen der Späne verwendet werden.
Die Stopfstangen mit den Stopfzylindern sind koaxial um den Einspritzkolben angeordnet, um eine hohe strukturelle Integrität und Temperaturgleichmäßigkeit zu gewährleisten, die für die Slurry-Herstellung und Magnesiumverarbeitung entscheidend sind. Das Material wird sehr schnell durch resistive oder vorzugsweise induktive Heizungen auf halbfeste Temperatur erhitzt. Der Transfer der Schmelze unter dem Einspritzkolben erfolgt in der Mitte des gleichen thermisch massiven Blocks, um eine stabile Prozesstemperatur sicherzustellen.
Das Slurry, in einer Form etwa wie Eiswasser, wird unter einem sich schnell bewegenden Kolben hindurchgeführt, der die halbfeste Schmelze zur Formung des Teils in eine Dauerform einspritzt.
Formkühlung führt zu Prozesseinsparungen
Die Wartung der neuen Maschine für halbfestes Gießen ist einfach. Es sind keine Materialverstopfungen möglich. Das halbfeste Slurry ist vollständig in der Maschine eingeschlossen. Die Form kann nun Millionen von Teilen gießen, dank reduzierbarer Temperaturen. Ein signifikanter Vorteil gegenüber allen anderen Druckgussverfahren wird dadurch erreicht, dass kein separater Ofen und kein separater Topf für die Slurry-Herstellung mehr erforderlich sind. Alles wird in der gleichen Maschine in einem schnellen Zyklus von 15 bis 60 Sekunden erledigt.Die Kühlung der Form erfolgt durch ein Wassernebelsystem (80 Prozent Luft, 20 Prozent Wasser), das direkt unter der Formoberfläche zirkuliert und sehr hohe Kühlraten aufweist. Die Wasser-Luft-Erzeugung in geschlossenen Kühlkanälen absorbiert eine große Menge an Wärme aus dem erstarrenden Teil und wird wiederum zum Vorwärmen der einlaufenden Magnesiumspäne verwendet. Auch dies führt zu erheblichen Prozesseinsparungen.
Der heutige Stand der Technik ist, dass die gesamte, den Teilen entzogene Wärme in die Umwelt abgeleitet wird. Bei allen derzeitigen Verfahren wird auch die Formwärme in die Atmosphäre abgeleitet, und eine Wärmerückgewinnung ist nicht möglich. Das liegt an der Flüssigkeitskühlung mit einem sehr geringen Temperaturunterschied erfolgt, was für den Wärmerückgewinnungsprozess ineffizient ist, da ein geringer Temperaturunterschied wiederum ein großes Volumen an Kühlmedium erfordert.
Temperaturen knapp über der Solidustemperatur
Das Teil wird einer Verdunstungskühlung unterzogen, bei der eine sehr hohe Wärmeabfuhr durch ein Gemisch aus Wasserdampf und Luft erfolgt, das knapp unter der Formoberfläche zirkuliert. Diese hohe Kühlrate unterstützt das Gefrieren der kugelförmigen Struktur des Teils. Diese cold-tocold und solid-to-solid (S2S) Maschine für halbfesten Magnesiumguss bietet im Vergleich zu anderen Druckguss- oder Magnesiumformmaschinen mehrere entscheidende Vorteile.Der größte Vorteil besteht darin, dass die neue Magnesiummaschine bei Temperaturen knapp über der Solidustemperatur arbeitet, beispielsweise 480 bis 580 Grad Celsius. Dies führt im Vergleich zu geschmolzenen Materialtemperaturen von 600 bis 700 Grad Celsius in heutigen Prozessen zu erheblichen Energieeinsparungen.
Bei diesem Verfahren beginnt die Erwärmung des Magnesiums bei Raumtemperatur und steigt bis zur halbfesten Verarbeitungstemperatur an. Die neue Gießmaschine kann auch beliebige Speziallegierungen mit den bevorzugten kugelförmigen Spänen verarbeiten.
Das neue Gießniveau
Die zylindrische Struktur und die koaxiale Anordnung des Kolbens und des Stempels, die von den Stopfbuchsen umgeben sind, ermöglichen die Verarbeitung in sehr engen Temperaturfenstern und mit engen Temperaturkontrollen. Computergesteuertes Heizen und die Hochgeschwindigkeits-einspritzung bei einem Druck von 15.000 PSI (1.034 bar) ermöglichen ein neues Gießniveau, das zu Teilen mit Eigenschaften führt, die den Anforderungen für den Einsatz in Anwendungen mit hoher Integrität entsprechen. Die Energieeinsparungen sind im Vergleich zu den bisher beschriebenen Gießverfahren erheblich.Der Prozess ist vollständig in sich abgeschlossen und die Maschine kann in einer normalen Produktionsanlage betrieben werden. Um große Flächen mit dünnen Wandgüssen (weniger als 1 Millimeter) herzustellen, werden mehrere Injektoren über eine riesige Abziehpresse mit Form verwendet.
MAXImolding®-Reaktor (vertikal) auf einer Kaltkammer-Druckgießmaschine.Thixocasting 2.0: Von Spänen zu Teilen
Die Autoren schlagen einen Thixocasting-2.0-Prozess für das Gießen von leichten Metallteilen vor. Beim bekannten Thixocasting 1.0 werden vorgegossene Billets auf halbfeste Temperatur erhitzt, in den Schießtopf einer Kaltkammer-Druckgussmaschine geladen und unter hohem Druck in die Form injiziert. Obwohl Thixocasting Vorteile wie niedrigere Formtemperaturen, längere Werkzeugstandzeiten, hohe Teilepräzision, effiziente Produktion sowie verbesserte mechanische Eigenschaften bietet, erfordert es den Einsatz von speziellen, teuren Ausgangsmaterialien (Billets), die die Produktion von größeren Teilen einschränken.Der neu vorgeschlagene Thixocasting-2.0-Prozess umgeht die Notwendigkeit von teuren Ausgangsmaterialien (Billets), indem er die Produktion von halbfester Schmelze direkt auf der Maschine ermöglicht. Der Prozess beginnt mit standardmäßigen Magnesium-, Aluminium-, Zink-Legierungsblöcken oder solchen, die für die halbfeste Verarbeitung geeignet sind, die in eine Späne-Maschine eingespeist werden, um Metallpartikel bestimmter Größen zu produzieren. Diese Späne werden dann über ein vakuumversiegeltes Rohrsystem zu einem Trichter transportiert, wo Inertgas hinzugefügt wird, um Verunreinigungen zu entfernen.
Als nächstes werden die Späne in einen MAXImolding®-Reaktor gegeben, von oben nach unten erhitzt und nach einem spezifischen Temperaturprofil, um das halbfeste Slurry zu erzeugen. Das Slurry wird dann in den Schießtopf einer beheizten (jetzt Heißkammer-) Druckgussmaschine übertragen und horizontal in die Form injiziert. Nun bekommen wir Thixo-gegossene Teile auf einer standardmäßigen und bekannten Maschine. Dies ist ein vereinfachtes Gießen für hochintegre leichte Legierungsteile mit vorhandener Maschinerie.
Nach vierzig Jahren Erfahrung und angewandter Forschung kann man sagen, dass die Druckgussindustrie bereit ist für eine vollautomatische, selbstlernende digitale Gießerei des 21. Jahrhunderts, die vollautomatisches Datenfeedback vom Röntgengerät nutzt.
Sie wollen mehr Wissen?
Dies ist der vierte Teil einer Reihe von Artikeln von Ashley Stone und Edo Meyer, die Sie durch die Entwicklung der digitalen Gießerei führen und Ihnen einen Überblick über den Stand der Magnesium-Druckgussindustrie geben. Im fünften Teil erfahren Sie alles über einheitliche und patentierte Prozesskontrolle, die zusammen mit der halbfesten Gießmaschine und einer vollautomatischen Echtzeit-In-Line-Röntgeninspektionsmaschine zu hochintegren Teilen mit minimalen Gussfehlern führt.
Haben Sie den vorherigen Teil verpasst? Diesen Artikel finden Sie hier.
