Umfassende technische Analyse des Aluminiumsandgusses in der modernen Fertigung

Aluminium-Sandguss ist eines der ältesten und vielseitigsten Metallgussverfahren, das in der modernen Fertigung zur Herstellung komplexer, haltbarer und kostengünstiger Komponenten weit verbreitet ist. Hersteller von Aluminiumsandguss können durch das Gießen von geschmolzenem Aluminium in vorbereitete Sandformen komplexe Geometrien mit komplizierten Merkmalen erzeugen, deren Bearbeitung aus festem Material ansonsten entweder unpraktisch oder unrentabel gewesen wäre. Diese Methode eignet sich besonders für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen, für den Prototypenbau und für hochstrukturierte Gussteile für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Rüstungsindustrie und im Energiesektor.

Das Interessanteste am Sandgussaluminium ist, dass es sowohl flexibel als auch funktional ist. Aluminium hat ein sehr gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Wiederverwertbarkeit und ist daher ein hervorragendes Gussmaterial. Zusammen mit der thermischen Beständigkeit von Sand und seiner hohen Formbarkeit bietet das Verfahren eine skalierbare Produktionskapazität mit hervorragender Maßgenauigkeit. Die Modellgestaltung, die Beschaffenheit der Form, die Qualität der Schmelze und die Anschnittgestaltung sind Schlüsselfaktoren für den Erfolg eines jeden Gussteils.

Eine exzellente Gießerei für Aluminiumsandguss muss nicht nur die klassischen Fakten der Metalltechnologie beherrschen, sondern auch Innovationen in den Verfahren berücksichtigen. Die heutigen Anlagen wenden die neueste Technologie an, um Fehler zu vermeiden und die beste Leistung des Gussteils zu gewährleisten, indem sie 3D-Sanddruck, Simulationssoftware und Prozessüberwachung in Echtzeit einsetzen. Präzisionsgefertigte und gegossene Aluminiumteile sind heute in der Lage, strenge technische Standards für Sicherheit, Toleranz und Haltbarkeit zu erfüllen.

Da die Nachfrage nach komplexen Bauteilen mit kürzeren Vorlaufzeiten und geringeren Umweltauswirkungen steigt, müssen sich professionelle Aluminium-Sandguss-Dienstleistungen ständig weiterentwickeln. Dieser Artikel befasst sich mit den technischen Einzelheiten des Verfahrens selbst, dem technischen Arbeitsablauf, den Werkstoffen, den Herausforderungen, den Innovationen und vielem mehr.

Die Grundlagen des Aluminium-Sandgusses

Beim Aluminium-Sandguss wird geschmolzenes Aluminium in einen Sandformhohlraum gegossen, der durch ein Modell geformt wird, das die Geometrie des endgültigen Teils nachbildet. Wenn das Aluminium erstarrt, wird die Sandform abgeschüttelt und das Gussteil bleibt übrig. Das Verfahren zeichnet sich auch durch eine hervorragende Flexibilität bei den Abmessungen und eine hohe Skalierbarkeit bei der Herstellung von Kleinserien mit hohem Mischungsgrad aus.

Das Verfahren basiert auf der Verwendung einer nicht dauerhaften Form, dem Sand, der recycelt und wiederverwendet werden kann, wodurch der Materialabfall und die Kosten minimiert werden. Sandformen bestehen in der Regel aus Quarzsand, dem ein Bindemittel zugesetzt wird. Die Art des Bindemittelsystems hat in der Regel einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit, die Maßhaltigkeit und die Abkühlgeschwindigkeit.

Der Prozess der Strömung in der Technik des Aluminiumsandgusses

Aluminiumsandguss ist ein technisches Verfahren, das aus einer Reihe genau kalibrierter Aktivitäten besteht, die darauf abzielen, Rohaluminium in spezifische, gut gefertigte und genau bemessene Teile zu verwandeln. Sowohl das Material als auch das mechanische Fachwissen sind erforderlich, um alle Phasen des Prozesses erfolgreich zu gestalten. Im Folgenden wird Schritt für Schritt analysiert, wie das Sandgießen von Aluminium fachlich und technisch umgesetzt wird.

1. Entwurf und Herstellung von Mustern

Beim Sandgussverfahren für Aluminium ist der erste Schritt der Entwurf und die Herstellung des Modells, einer physischen Kopie des endgültigen Gussteils. Die Zulagen, die in den Modellen berücksichtigt werden müssen, sind ziemlich kritisch, z. B. Schrumpfung, Verzug und Bearbeitungsmaterial. Da sich Aluminium beim Abkühlen zusammenzieht, werden die Modelle etwas größer ausgelegt als das fertige Bauteil. Die Schrumpfungsrate von Aluminiumlegierungen wird normalerweise mit 1,3 % angesetzt; je nach Legierung und Abkühlungsbedingungen kann sie jedoch variieren.

Vertikale Teile der Formen werden mit Entformungswinkeln versehen, die in der Regel einige Grad zwischen 1 und 3 betragen, um sicherzustellen, dass das Modell in der Sandform leicht entformt werden kann, wobei darauf zu achten ist, dass der Hohlraum nicht zerstört wird. Zusätzliche Aufmaße (Bearbeitungsaufmaße) werden so eingeplant, dass es zu keinen nachteiligen Wechselwirkungen zwischen der Nachbearbeitung und dem fertigen Teil kommt. Die Modelle können aus Holz, Metall, Harz oder sogar aus 3D-gedruckten Polymeren hergestellt werden, je nach den Anforderungen an die Genauigkeit und den Bedarf des Produktionsvolumens.

2. Formenbau (Gießen und Kernsetzen)

Nach der Vorbereitung des Modells muss die Form vorbereitet werden. Für die Sandgussform aus Aluminium gibt es zwei getrennte Hälften: den Oberteil (obere Hälfte) und den Unterteil (untere Hälfte). Sie werden hergestellt, indem der Sand um die Form herum in einen Kolben gefüllt wird. Je nach Anwendung besteht der Sand im Allgemeinen aus Quarzsand und wird mit Bindemitteln wie Ton (grüner Sand) oder chemischen Harzen (ungebrannter Sand) vermischt.

Wenn das Bauteil einen Innenraum und hohle Teile aufweist, ist die Verwendung von Sandkernen erforderlich. Sie werden in den Formhohlraum eingesetzt, wonach das Metall gegossen wird. Kerne können mit Hilfe von Kernkästen hergestellt werden, und in der Präzisionsfertigung können sie mit größerer Präzision im 3D-Sanddruckverfahren gedruckt werden. Der genaue Fußabdruck des Kerns ist sehr wichtig, um eine steife Struktur und die Einhaltung der endgültigen Teileabmessungen zu gewährleisten.

3. Der Aufbau des Gating-Systems

Die Rechtzeitigkeit und Wirksamkeit des gebildeten Anschnittsystems sind für den Erfolg des Aluminiumsandgussverfahrens von Bedeutung. Dieses System besteht aus einer Gießwanne, einem Anguss, Angusskanälen und Anschnitten, die das aufgestaute Aluminium in die Form leiten. Ein angemessener Anschnitt verhindert viele Turbulenzen, minimiert Luftblasen und sorgt für eine gleichmäßige Füllung.

Speiser (alternativ auch Speiser genannt) sind ebenfalls erforderlich und können als ein Reservoir für geschmolzenes Metall betrachtet werden, das die Richtung der Schrumpfung nach der Erstarrung ausgleicht. Gießsimulationssoftware wird in der Regel von Ingenieuren zur Untersuchung und Optimierung der Anschnitt- und Speisersysteme eingesetzt. Die Vorhersage erfolgt mit Hilfe von Simulationswerkzeugen wie MAGMASoft oder ProCAST, so dass typische Fehler wie Kaltverschlüsse, Fehlanläufe und Schrumpfungsporosität praktisch vor der Produktion korrigiert werden können.

4. Cu-Schmelzen und Metallbehandlung

Aluminium wird in der Regel in einem Flammofen, einem Tiegelofen oder einem Induktionsofen geschmolzen, wobei die Wahl vom Chargenvolumen, den Legierungsanforderungen und der benötigten Energiemenge abhängt. Die Schmelztemperatur von reinem Aluminium liegt bei etwa 660 Grad Celsius (1220 Fahrenheit), obwohl Legierungen je nach Zusammensetzung einen leicht unterschiedlichen Schmelzpunkt haben können.

Die Gasaufnahme, insbesondere die Aufnahme von Wasserstoffgas, ist eine der großen technischen Schwierigkeiten beim Schmelzen. Heißes Aluminium nimmt den Wasserstoff sehr leicht auf, entweder aus der Luftfeuchtigkeit oder aus den geladenen Figuren. Mehr als Wasserstoff tritt im fertigen Gussstück Porosität auf. Als Reaktion darauf wird die Schmelze Entgasungsverfahren unterzogen, bei denen häufig Passivgase (z. B. Argon oder Stickstoff) eingeleitet werden, die mit einem Rotationsrad in die Schmelze gedrückt werden. Es können auch Flussmittel zugesetzt werden, um die Oxide und Einschlüsse aus der Schmelze zu entfernen.

5. Bekämpfung von geschmolzenem Metall

Wenn das geschmolzene Aluminium gereinigt und konditioniert ist, wird es unter Verwendung des Anschnittsystems in die Form gegossen. Der Guss sollte vollständig kontrolliert und kontinuierlich erfolgen, ohne dass die Form aufgewirbelt wird und es zu Lufteinschlüssen und frühzeitiger Erstarrung kommt. Bei manuellen Anlagen werden Schöpfkellen eingesetzt, die von Personen bedient werden, die auf Gießhöhe und -geschwindigkeit geschult sind. Das Schöpfen mit Robotern ist einer der Schritte, die eine sichere und hohe Wiederholbarkeit in automatisierten Systemen gewährleisten.

Die Gießtemperatur beträgt in der Regel 690-740 °C, je nach Legierung und Komplexität der Form. Das Gießen bei niedrigen Temperaturen kann zu Kaltverschlüssen oder unvollständiger Füllung führen, und das Gießen bei hohen Temperaturen kann mehr Gasaufnahme und Oxidation verursachen.

6. Erstarrung und Abkühlung

Der Erstarrungsschritt ist einer der wichtigsten Schritte beim Gießen von Aluminium mit dem Sandgussverfahren. Wenn Aluminium zu einem Festkörper wird, zieht es sich zusammen, und die Schrumpfung sollte bei der Anschnitt- und Speiserkonstruktion beachtet werden. Ziel der kontrollierten Abkühlung ist ein gleichmäßiges Gefüge und der Abbau von Eigenspannungen und Lunkerstellen.

Abhängig von der Geometrie in verschiedenen Bereichen des Gussstücks und der Wandstärke haben sie unterschiedliche Abkühlungsraten. Stattdessen wird die gerichtete Erstarrung eingesetzt, wobei das Gussteil meist so ausgerichtet wird, dass die Erstarrung von dünn nach dick erfolgt, wodurch die Lunker zu den Speisern gelenkt werden. Um die Abkühlung in bestimmten Bereichen zu beschleunigen und dadurch das Korngefüge zu regulieren und Fehler zu minimieren, werden unter anderem Kokillen, also Metalleinsätze in der Form, verwendet.

7. Ausschütteln, Reinigen und Putzen.

Nach der erfolgreichen Entformung wird die Form nach der vollständigen Erstarrung des Gussstücks in einem Prozess, dem so genannten Shakeout, aufgeschüttelt. Das Schneiden oder Schleifen erfolgt mechanisch oder manuell, um den Sand zu entfernen. Das Schneiden erfolgt am Gussstück, am Anschnittsystem und an den Speisern.

Beim Gießen entstehen in der Regel Sandrückstände auf der Oberfläche und Oxidablagerungen. Um diese Ablagerungen zu entfernen, werden Reinigungsverfahren wie Kugelstrahlen, Schleifen oder sogar chemisches Beizen durchgeführt. In dieser Phase wird auch das Schmieren durchgeführt, bei dem überflüssiges Metall entfernt und dicke Oberflächen feiner gemacht werden. Außerdem werden die Kerne, die die Form verwendet hat, entfernt.

8. Wärmebehandlung und Bearbeitung (falls erforderlich)

Viele Aluminiumteile aus Sandguss werden nach dem Gießen einer Wärmebehandlung unterzogen, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Zu den üblichen Verfahren gehören:

• T5/ T6-Anlassen von aushärtbaren Aluminiumlegierungen (z. B. A356-T6), bei dem die Festigkeit und Härte erheblich gesteigert werden.
• Glühen, um Spannungen im Inneren zu beseitigen und das Material dehnbarer zu machen.

Nach der Wärmebehandlung kann eine Präzisionsbearbeitung erforderlich sein, um die Endtoleranzen einzuhalten, insbesondere bei den Oberflächen, die mit anderen Teilen zusammenpassen oder eng bemessen sein müssen. 

Gegenbeispiele: CNC-Fräsen, Bohren und Drehen von Sandgussteilen sind übliche Nachbearbeitungen.

9. Qualitätssicherung und Inspektion

Der letzte Schritt ist eine abschließende Prüfung, um sicherzustellen, dass das Gussteil die richtigen Spezifikationen aufweist. Im Folgenden wird die übliche Qualitätssicherung des Sandgusses von Aluminium beschrieben:

• Inspektion auf der Grundlage von Abmessungen (CMM, Koordinatenmessmaschine, Laser- oder sonstige Abtastung).
• Zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) wie Röntgendurchleuchtung, Ultraschallprüfung oder Farbeindringprüfung, die interne oder Oberflächenfehler aufdecken.
• Mechanische Prüfungen der Zugfestigkeit, der Dehnung und der Härte, insbesondere bei Gussstücken, die strukturell verwendet werden.
• Die Inspektionsdaten wurden protokolliert, um die Daten zurückzuverfolgen und die nachfolgenden Wiederholungen des Prozesses weiter zu verbessern.

Metallurgische Aspekte des Aluminiumsandgusses

Aluminiumlegierungen, die für den Sandguss verwendet werden, können in der Regel in die folgenden zwei Gruppen unterteilt werden: nicht wärmebehandelbare und wärmebehandelbare Legierungen. Bekannte Legierungen sind A356, A319 und 319.1, die je nach den Anforderungen an Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden. Die Abkühlungsraten und Legierungselemente wie Silizium, Magnesium und Kupfer haben einen großen Einfluss auf das Korngefüge des Gussstücks.

Einer der anspruchsvollsten Aspekte des Aluminiumsandgussverfahrens ist die Kontrolle der Porosität. Die Löslichkeit von Wasserstoffgas in Aluminium ist in der flüssigen Phase sehr viel höher als in der festen Phase, was zu Mikroporosität im Erstarrungsbad führen kann. Die Standardmethoden zur Begrenzung dieses Problems sind die Vakuumentgasung und die Inertgasspülung.

Materialien für den Aluminium-Sandguss

Die beim Aluminiumsandguss verwendeten Materialien sind entscheidend für die Leistung, Herstellbarkeit und Haltbarkeit des Endprodukts. Sie umfassen nicht nur die Aluminiumlegierungen, sondern auch verschiedene Sandarten, Bindemittel sowie Hilfsstoffe für die Form- und Kernherstellung. Sozialökonomische Faktoren. Bei der Auswahl der einzelnen Werkstoffe gilt es, einen Kompromiss zwischen Gießbarkeit und mechanischen Eigenschaften, Oberflächengüte und Kosteneffizienz zu finden. Im Folgenden werden die wichtigsten Werkstoffkategorien, unter denen das Verfahren durchgeführt wird, im Einzelnen vorgestellt.

1. Aluminium-Legierungen

Die Auswahl der Aluminiumlegierung ist der Schlüssel zu jedem Aluminium-Sandgussverfahren. Verschiedene Legierungen bieten unterschiedliche mechanische Eigenschaften, Korrosions- und Wärmeverhalten. Im Allgemeinen fallen diese Legierungen in zwei große Kategorien: Knetlegierungen (geschmiedet/gewalzt) und Gusslegierungen. Beim Sandguss werden auch Aluminiumlegierungen in Gussqualität verwendet, da sie sich am besten für das Gießen, die Fließfähigkeit und die Erstarrung eignen.

Am häufigsten werden Aluminiumgusslegierungen verwendet:

A356 (Al-Si7-Mg):

Dies ist eine der beliebtesten Legierungen im Bereich der Sandgussdienstleistungen für Aluminium. Sie ist sehr gut gießbar, hat eine relativ gute Korrosionsbeständigkeit und kann bis zum T6-Zustand (hohe Festigkeit, hohe Duktilität) wärmebehandelt werden, was sie sehr nützlich macht. Aushärtungsbehandlungen sind durch den Zusatz von Magnesium möglich.

319 (Al-Si-Cu-Mg):

Gute Verschleißfestigkeit und Bearbeitbarkeit sind auch für 319 bekannt, das in der Automobilindustrie und im allgemeinen Maschinenbau eingesetzt wird. Seine Korrosionsbeständigkeit ist jedoch schlechter als die von A356.

535 (Al-Mg):

Es handelt sich um eine Legierung mit hohem Magnesiumgehalt, die daher eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit aufweist. Sie wird häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Schifffahrt eingesetzt.

Aluminium-Silizium-Legierungen (Al-Si):

Diese Legierungen haben Anerkennung für ihre hohe Fließfähigkeit und geringere Schrumpfung erhalten, insbesondere bei der Verwendung in komplexen Komponenten wie Aluminium-Sandgussteilen.

Zusatzstoffe und Getreideraffinerie:

Zur Verbesserung der Gussqualität, zur Verringerung der Porosität und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften können Titan-Bor-Vorlegierungen (z. B. AlTi5B1) hinzugefügt werden, um eine Kornfeinung zu erreichen. Bei der Modifizierung der Siliziumstufe in Al-Si-Legierungen wird in der Regel Strontium verwendet, das die Duktilität erhöht und die Warmrissbildung verringert.

2. Sand Materialien

Bei diesem Verfahren ist das Hauptformmaterial in der Aluminium-Sandgussgießerei Sand. Sein Zweck ist es, den Formhohlraum zu schaffen, in den das geschmolzene Aluminium gegossen wird. Der Sand sollte eine hohe Temperatur (über 700 °C) vertragen, maßgenau sein und auch der Erosion durch den Metallstrom standhalten können.

Der zu verwendende Sand:

Quarzsand:

Der am häufigsten verwendete und billigste Sand. Er ist sowohl in Bezug auf die Feuerfestigkeit als auch auf die Verarbeitbarkeit gut. Allerdings gibt es Probleme mit der Wärmeausdehnung, die zu Gussfehlern wie Äderungen oder heißen Rissen führen kann, wenn diese nicht gut kontrolliert werden.

Chromit-Sand:

Dieser Sand besitzt eine bessere Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit und kann daher für Hochtemperatureinbettmassen sowie für Gussstücke mit dickem Querschnitt für große Werkstücke verwendet werden.

Zirkonsand:

Wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Genauigkeit der Abmessungen von größter Bedeutung ist. Es ist viel teurer, hat aber eine sehr geringe Wärmeausdehnung und eine hohe Feuerfestigkeit.

Die Größe eines Sandkorns:

Feinkörniger Sand ergibt eine glattere Oberfläche und beeinflusst die Durchlässigkeit. Die Größe des grobkörnigen Sandes erhöht die Durchlässigkeit und die Formfestigkeit; das Endprodukt könnte jedoch rauer sein. Im Hinblick auf die Teilegeometrie und die Oberflächenbeschaffenheit wird in der Regel ein Kompromiss gewählt.

3. Bindemittel und Zusatzstoffe

Aluminium-Sandguss: Der für den Aluminiumguss verwendete Sand wird durch ein Bindemittel zusammengehalten, wodurch eine Form entsteht, die fest genug ist, um unter dem Druck des geschmolzenen Aluminiums zu halten. Bindemittel sind entweder organisch oder anorganisch und werden je nach verwendetem Sandsystem ausgewählt.

Bindemittel Grüner Sand:

Bentonit-Ton:

Eine Tonquellung, die in einem Grünsandsystem verwendet wird, um Plastizität und Kohäsion zu bieten. Er wird mit Wasser gemischt, um wiederverwendbare Formmasse zu bilden.

Wasser:

Es ist ein Aktivator in grünen Sanden und unterstützt die Bindung zwischen Ton und verdichtet den Sand.

Chemisch gebundene Sandsysteme:

Furan-Harz:

Ein natürliches Bindemittel mit hoher Festigkeit und guter Verarbeitung. Sie sind in der Regel in einem Bake-System angewendet.

• Die Phenol-Urethan-Coldbox (PUCB) war der letzte Produkttyp.
• Hat eine hohe Kernfestigkeit und Maßhaltigkeit. Dietz wird in großem Umfang für die Herstellung von Kernen verwendet.

Zusatzstoffe:

Die Kohlegruben dieses Reviers sind wahrscheinlich die ältesten der Welt; sie reichen bis zu einer Tiefe von 2.200 Fuß oder mehr und sind dafür bekannt, dass sie sich neben der Ader in Richtung Meer fortsetzen, wo die Kohle als Seekohle oder Kohlenstaub bezeichnet wird.

Wird mit grünem Sand vermischt, um die schwarze Farbe auf der Oberfläche der Form zu verbessern und Fehler beim Gießen, wie z. B. das Eindringen von Metall, zu beseitigen.

Eisenoxid:

Es ist nützlich, um Äderungen und Dehnungsfehler in heißen Bereichen zu verringern.

Graphit:

Verbessert die Herstellung von Sand, wenn er ein hohes Maß an Fließfähigkeit und Formtrennung aufweist.

4. Kernmaterialien

Innenhohlräume und komplizierte Formen in so genannten Sandguss-Aluminiumteilen werden durch Kerne hergestellt. Sie werden in der Regel in hochreinem Quarzsand gegossen, dessen Bindemittelsystem mit dem der Form identisch ist, aber häufig steifer und genauer ist.

Materialien, die für die Kernproduktion wichtig sind, sind

• Quarzsand (hochmaschig)
• Bindemittel (Furanharz oder PUCB)
• Entlüftungsdrähte oder Kernentlüftungen, um das Entweichen des Gases beim Gießen zu ermöglichen

Bindemittelstrahlen in 3D-gedruckte Sandkerne werden in High-Tech-Gießereien immer beliebter. Diese machen die Verwendung von Kernkästen überflüssig und ermöglichen das schnelle Prototyping komplexer Geometrien.

5. Formbeschichtung und Formentrennung

Feuerfeste Beschichtungen werden aufgetragen (oder in der Form gewaschen), um die Oberfläche des Gussteils zu verbessern oder die Form oder den Kern thermisch und chemisch zu schützen.

Solche gängigen Beschichtungsmaterialien sind:

Beschichtungen auf Zirkonbasis 

Beschichtungen auf Zirkonbasis sind auch hinsichtlich ihrer Feuerfestigkeit und Isolationseigenschaften in Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen hervorragend.

Beschichtungen auf Graphitbasis:

Sie erleichtern das Werfen und sind in kühlen Gebieten einsetzbar.

Auf Aluminosilikat-Basis: 

Bei den Beschichtungen auf Aluminosilikatbasis handelt es sich um universell einsetzbare Schutzschichten, die Oberflächenfehler minimieren.

Diese Beschichtungen werden durch Streichen, Sprühen oder Tauchen aufgetragen und trocknen dann vor dem Gießen des Metalls. Sie vermindern die Gefahr von Sanderosion, Metalldurchdringung und Gasentwicklung.

6. Sonstige Hilfs- und Betriebsstoffe

Andere Materialien, die beim Aluminium-Sandguss verwendet werden, sind:

Flussmittel:

Zur Reinigung der Schmelze und zum Entfernen der nichtmetallischen Einschlüsse. Je nach Art der verwendeten Legierung sind Flussmittel auf Chlorid- oder Fluoridbasis üblich.

Entgasungstabletten oder -gase:

Dabei können Tabletten mit Hexachlorethan oder ähnlichem zum Einsatz kommen, obwohl in modernen Gießereien aus Umwelt- und Sicherheitsgründen die Entgasung mit Argon bevorzugt wird.

Sonden, Thermoelemente und Pyrometer:

Temperatursensoren sind in Form von Hochtemperaturlegierungen und keramischen Werkstoffen zur Überwachung der Schmelze- und Formbedingungen erhältlich.

Hülsen und Steigleitungen aus exothermen Materialien :

Es wird in Steigleitungen platziert, um die Zufuhr von geschmolzenem Metall länger aufrechtzuerhalten. Diese haben isolierende Materialien oder exotherme Materialien, die beim Erstarren Wärme abgeben.

Die Funktion der Aluminium-Sandgussgießerei

Die hochentwickelte Gießerei ist der so genannte Aluminiumsandguss, der über Formmaschinen, Kernherstellungsstationen, Schmelzöfen und Prüfsysteme verfügt. Gießereien sind spezialisiert auf Guss, maximale Qualität des Gussstücks, minimale Zykluszeit und maximale Materialeffizienz. Entwickelte Gießereien kombinieren solche digitalen Werkzeuge wie:

• Simulations-Software: Sogenannte Simulationssoftware (wie MAGMASoft und FLOW-3D Cast) simuliert das Füllen und Erstarren der Form und ermöglicht es den Gießerei-Ingenieuren, die Anschnittkonstruktion fein abzustimmen und Fehler vorherzusagen.
• Automatischer Kern: Komplizierte Innenformen könnten mit neuen 3D-gedruckten Sandkernen leicht erstellt werden, was den Aufwand an Werkzeugen und Zeit verringert.
• Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): Dabei werden Röntgenprüfungen, Ultraschall und Farbeindringverfahren eingesetzt, um die Vollständigkeit des Gussteils zu überprüfen.

Eine erfolgreiche Aluminium-Sandgießerei verfügt über ein Qualitätskontrollsystem, das alle weltweiten Normen wie ASTM B26, ISO 8062-3 und AMS 4218 erfüllt, um eine stabile Qualität der gegossenen Aluminiumlegierungen zu gewährleisten.

Vorteile von Aluminium-Sandguss-Dienstleistungen

Professionelle Aluminium-Sandgussdienste bieten End-to-End-Gusslösungen, einschließlich Konstruktionsberatung, Rapid Prototyping, Werkzeugbau und Nachbearbeitung. Dabei handelt es sich um OEM- und Tier-1-Zulieferer-Dienstleistungen für Teile, die schnellste Bearbeitungszeiten, kundenspezifische Teilegeometrie und Funktionalität benötigen.

Einige von ihnen sind die wichtigsten Vorteile:

• Geringe Kosten für Werkzeuge: Sandguss hat im Vergleich zum Druckguss einen geringen Bedarf an Werkzeugkosten, was ihn zur besten Option für kleine Produktionsserien macht.
• Dienst: Den Dienstleistern wird empfohlen, je nach den erforderlichen mechanischen oder thermischen Eigenschaften maßgeschneiderte Legierungen zu entwickeln.
• Rapid Prototyping: Mit der heutigen digitalen Mustererstellung ist es möglich, einen Prototyp in Tagen statt in Wochen zu erstellen.

Die Industrie verlangt immer schnellere Produktzyklen und eine stärkere Anpassung an Kundenwünsche, hochwertiger Aluminium-Sandguss Dienstleistungen werden zu unschätzbaren Partnern in den Lieferketten.

Präzision und Leistung bei Aluminium-Sandgussteilen

Das Sandgießen von Aluminiumteilen ist nach wie vor ein Eckpfeiler bei der Herstellung von Motorblöcken, Getriebegehäusen, Krümmerabdeckungen und Flugzeugteilen. Das Verfahren eignet sich auch für einfache und komplexe Teilegeometrien mit Wandstärken zwischen 3 mm und 75 mm, je nach Festigkeit der Form und Fließfähigkeit der betreffenden Legierung.

Zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen von Aluminium-Sandgussteilen gehören:

• Abmessungstoleranz: Sie können je nach Qualität der Formen zwischen 0 und 0,5 Prozent ihrer Nennwerte tolerieren.
• Oberflächenrauhigkeit: Sie liegen zwischen 150 und 500 RMS, können aber bei sekundären Verfahren auch feiner sein.
• Mechanische Festigkeit: Die Zugfestigkeit hängt von der Legierung und der Behandlung ab und liegt in der Regel zwischen 170-300 Millimeter Pascal (MPa).

Durch sorgfältig ausgewählte Anschnitt- und Speisersysteme können Ingenieure die Menge an Schwindungsfehlern verringern und gleichmäßige Strukturen im Korngefüge herstellen.

Herausforderungen und Innovationen im Aluminiumsandguss

Obwohl sich der Aluminiumsandguss als vielseitiges und kosteneffizientes Herstellungsverfahren bewährt hat, ist er mit zahlreichen technischen und betrieblichen Herausforderungen konfrontiert, die die Gussqualität, die Produktionseffizienz und die Skalierbarkeit beeinträchtigen. Glücklicherweise wird der Prozess mit Hilfe neuer Lösungsinnovationen stark verändert, da die Industrie diesen Herausforderungen mit neuen Werkzeugen und Technologien begegnet. Im Folgenden werden sowohl die Herausforderungen, mit denen die Kunst des Aluminiumsandgusses nach wie vor zu kämpfen hat, als auch die aufkommenden Innovationen, die auf diesem Gebiet entstanden sind, näher beleuchtet.

1. Schmelzequalität und Gasporosität

Herausforderung:

Eines der kritischsten und hartnäckigsten Probleme beim Aluminiumsandguss ist die Gasporosität, die in erster Linie auf die Wasserstoffaufnahme zurückzuführen ist. Im geschmolzenen Zustand neigt Aluminium dazu, Wasserstoffgas zu absorbieren, vor allem wenn es feucht ist oder durch die Verwendung von verunreinigtem Einsatzmaterial missbraucht wird. Wenn das Metall abkühlt, sinkt die Löslichkeit des Wasserstoffs, so dass das Gas ausfällt und winzige Löcher im Gussstück bildet. Solche Poren schränken die Ermüdungsbeständigkeit, die Dichtungsfähigkeit und die mechanische Festigkeit erheblich ein.

Innovation:

Dieses Problem wurde durch den Einsatz moderner Entgasungstechnologien in modernen Gießereien gelöst, wie die Rotationsentgasung, die Verwendung von Inertgasen wie Argon oder Stickstoff. Diese Systeme rühren die Schmelze um, um eine größere Oberfläche zu schaffen und den eingeschlossenen Wasserstoff freizusetzen. Darüber hinaus werden Inline-Entgasungssysteme mit Spülringen eingesetzt, um Oxide und Einschlüsse zu entfernen. In einigen Anlagen werden sogar Echtzeit-Gasüberwachungssensoren installiert, um den Zustand des Wasserstoffs während des Schmelzens und Gießens zu bewerten.

2. Dimensionale Traurigkeit und daran haftender Schimmel

Herausforderung:

Die Einhaltung strenger Maßtoleranzen beim Aluminium-Sandgussverfahren ist nicht einfach, da die Sandform eine variable Größe hat. Diese geometrischen Veränderungen können unter anderem durch die Sandverdichtung, den Feuchtigkeitsgehalt sowie die thermische Ausdehnung hervorgerufen werden, so dass einige Teile nicht mehr innerhalb ihrer Spezifikationen liegen. Außerdem weisen die wiederverwendbaren Modelle eine höhere Wahrscheinlichkeit von Vibrationen bis hin zu Maßabweichungen auf, und diese werden im Laufe der Zeit nicht berücksichtigt.

Innovation:

Um dem entgegenzuwirken, setzen zahlreiche Gießereien digital gesteuerte Formmaschinen ein, die für einen gleichmäßigen Druck bei der Verdichtung der Formen sorgen und ein gewisses Maß an Gleichmäßigkeit in ihrer Formqualität erreichen. Der 3D-Sanddruck (Binder Jetting) verändert die Herstellung von Gussformen, da er kein physisches Modell erfordert. Diese Gussformen sind hochpräzise im Mikrometerbereich und eignen sich für die Herstellung von Prototypen und kleinen Produktionsserien. In Verbindung mit einer Gießsimulationssoftware können Ingenieure Maßänderungen beim Abkühlen simulieren und die Änderungen bei der Modellgestaltung ausgleichen.

3. Leichte Automatisierung und starke Abhängigkeit von der Arbeit

Herausforderung:

Herkömmliche Aluminiumsandgussverfahren sind arbeitsintensiv, insbesondere bei der Formvorbereitung, dem Gießen und der Endbearbeitung. Die manuellen Vorgänge schränken nicht nur den Durchsatz, sondern auch die Variabilität des Gusses ein. Darüber hinaus kann sich der Einsatz von Fachkräften als Engpass erweisen, vor allem in Gebieten, in denen Arbeitskräfte knapp sind.

Innovation:

Die Roboterautomatisierung verändert repetitive und risikoreiche Vorgänge wie das Herstellen von Gussformen, das Gießen und das Schleifen. Die Kollaborationsroboter (Cobots) sind in der Lage, mit Menschen bei der grundlegenden Montage und Entnahme von Gussteilen zusammenzuarbeiten. Gießereien setzen auch auf automatisierte Gießanlagen, die mit Lasersensoren und Bildverarbeitungssystemen ausgestattet sind, damit die Gießgeschwindigkeit und die Gießtemperatur genau gesteuert werden können. Solche Fortschritte tragen nicht nur zur Effizienz der Produktion bei, sondern auch zur Sicherheit und Vereinheitlichung am Arbeitsplatz.

4. Vorhersage der Ursachen von Gussfehlern

Herausforderung:

Gussfehler wie Kaltverschlüsse, Warmrisse, Lunker und Einschlüsse sind nach wie vor ein wichtiger Faktor für Materialverluste und Produktfehler. Die Hauptursache dieser Defekte muss identifiziert und beseitigt werden, um ihr erneutes Auftreten zu verhindern. Dies erfordert ein tiefgreifendes Wissen über Strömungsdynamik, Thermogradienten und Legierungsdynamik - Aspekte, die in keiner Gießerei ohne besondere Maßnahmen ohne weiteres verfügbar sind.

Innovation:

Seit kurzem stehen hochentwickelte CFD- und Erstarrungsmodellierungspakete zur Verfügung, die es dem Ingenieur ermöglichen, den gesamten Gießprozess in einer virtuellen Welt zu simulieren. FLOW-3D Cast, ProCAST und MAGMASoft sind einige der Programme, mit denen sich Fehler in der Stahlschmelze vorhersagen lassen, und mit denen sich vor dem Gießen des Metalls feststellen lässt, wo Fehler auftreten können. Die Tools werden zur Optimierung von Anschnittsystemen, Speiserplatzierungen und Kühlstrategien eingesetzt, um fehlerfreie Gussteile zu erhalten. Darüber hinaus wird an maschinellen Lernmodellen gearbeitet, bei denen die Fehlerdaten der Vergangenheit verwendet werden, um sie zu analysieren und Echtzeitempfehlungen für die Anpassung des Prozesses zu geben.

5. Nachhaltigkeit der Umwelt und der Abfallbewirtschaftung

Herausforderung:

Beim Aluminium-Sandguss fallen Abfälle in Form von verbrauchtem Sand, Metallkrätze, Flussmittelrückständen und nicht spezifikationsgerechten Teilen an. Vor allem die Entsorgung des Sandes stellt ein Problem dar, da chemisch gebundener Sand unter Umständen nicht einfach zu recyceln ist. Außerdem trägt der hohe Energieverbrauch im Schmelzprozess erheblich zur CO2-Bilanz der Gießereiprozesse bei.

Innovation:

Die meisten fortschrittlichen Gießereien investieren in geschlossene Sandrückgewinnungssysteme, bei denen bereits benutzter Sand durch thermomechanische Verfahren recycelt wird. Solche Systeme verringern die Anzahl der Deponien und die Kosten für Rohstoffe. Was die Energie betrifft, so sind die Induktionsschmelzöfen effizienter und emissionsärmer als ihre traditionellen Pendants, die gasbefeuerten Flammöfen. Solarenergie, Abwärmerückgewinnung und Energieüberwachung in Echtzeit helfen den Gießereien ebenfalls dabei, die Umweltbelastung zu verringern und die immer strengeren gesetzlichen Auflagen zu erfüllen.

6. Legierungsbedingte Beschränkungen und Schwierigkeiten der Metallurgie

Herausforderung:

Die Verwendung geeigneter Aluminiumlegierungen im Sandguss ist mit einem Kompromiss zwischen Gießbarkeit, mechanischen Eigenschaften und Wärmebehandelbarkeit verbunden. Bestimmte Hochleistungslegierungen haben ein schlechtes Fließverhalten oder neigen zum Heißriss während der Erstarrung und können daher nicht für komplexe Formen verwendet werden.

Innovation:

Metallurgen entwickeln neue Spezifikationen für Aluminiumlegierungen, die speziell für den Sandguss geeignet sind. Dabei handelt es sich um mit Seltenen Erden modifizierte Legierungen, die die Fließfähigkeit verbessern und die Rissbildung minimieren, sowie um nanopartikelgehärtete Aluminiumpulver, die ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen. Auch die Kornfeinung durch Vorlegierungen (z. B. Al-Ti-B) wird standardisiert, um ein einheitliches Gefüge der Legierungen und bessere mechanische Eigenschaften nach dem Gießen zu gewährleisten.

7. Digitalisierung und intelligente Gießereien

Herausforderung:

Konventionelle Gießereien stützen sich im Wesentlichen auf Erfahrungswissen und nicht auf Echtzeitdaten, so dass die Produktion uneinheitlich und kaum nachvollziehbar ist.

Innovation:

Intelligente Gießereien entstehen durch das praktische Aufkommen von Industrie 4.0-Technologien. Solche Anlagen nutzen IoT-Sensoren, Cloud-Analytik und digitale Zwillinge, um die Temperaturen, den Druck, die Luftfeuchtigkeit sowie die Formbedingungen in verschiedenen Phasen des Gießprozesses zu überwachen. Die Informationen zu den verschiedenen Phasen werden in zentralisierte Dashboards eingebettet, was die Vorhersage von Wartung, Qualitätssicherung und kontinuierlicher Verbesserung ermöglicht. Die digitalen Zwillinge, die eine virtuelle, erweiterte Version des gesamten Gießprozesses darstellen, können zur Optimierung des Prozesses und zur Ermittlung der Grundursachen verwendet werden, ohne die Produktion zu unterbrechen.

Schlussfolgerung

Der Aluminiumsandguss spielt in der industriellen Produktion nach wie vor eine entscheidende Rolle, da er die effiziente und wirtschaftliche Herstellung einfacher und komplexer Teile ermöglicht. Mit den Fortschritten in der Materialwissenschaft und der Gießereitechnik wird das Verfahren noch präziser, nachhaltiger und flexibler, um den Anforderungen der modernen Fertigung gerecht zu werden. Da die mit Simulation, Automatisierung und Legierungsforschung verbundene Industrie wächst und die Kapazität einer Aluminiumsandgießerei erreicht, ist ein Wiederaufleben dieses Handwerks aufgrund der Nachfrage nach leichten und leistungsstarken Metallteilen überfällig.

Ob durch spezialisierte Aluminium-Sandguss-Dienstleistungen oder die sorgfältige Technik, die hinter dem Sandguss steht AluminiumteileDiese Technik wird auch in Zukunft ein fester Bestandteil von Industrien sein, die Wert auf strukturelle Integrität, Designflexibilität und kostengünstige Produktion legen.

FAQs: Häufig gestellte Fragen 

1: Was ist Aluminium-Sandguss?

Aluminiumsandguss ist ein Verfahren, bei dem geschmolzenes Aluminium in Sandformen gegossen wird, um komplexe Metallteile herzustellen. Es eignet sich hervorragend für die Herstellung kleiner bis mittlerer Mengen und großer Teile.

2: Wo werden Aluminiumteile aus Sandguss verwendet?

Aluminium-Sandgussteile werden häufig in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und der Industrie für Komponenten wie Gehäuse, Halterungen und Motorenteile verwendet.

3: Wie wähle ich eine geeignete Aluminium-Sandgussgießerei aus?

Suchen Sie eine Gießerei, die als Aluminium-Sandgießerei bekannt ist und über ein umfassendes Qualitätsmanagement, technische Unterstützung, Legierungskenntnisse und andere wertschöpfende Fähigkeiten wie Bearbeitung und Wärmebehandlung verfügt.