Neue Perspektiven für den Automotive-Bereich dank Niederdruckgießverfahren

Neue Perspektiven für den Automotive-Bereich dank Niederdruckgießverfahren

 

Dem Niederdruckgießverfahren im Stahlguss gehört die Zukunft. Durch die Vermeidung von Materialmischbau aus Leichtmetallen und Stahl wird die Nutzung konventioneller Fügeverfahren möglich. Zusätzlich gewinnt der Guss im Stahlleichtbau an Bedeutung, da der CO₂-Ausstoß der Stahlproduktion bis zu sechs Mal geringer ist als bei der Herstellung vergleichbarer Aluminiumprodukte. ABP Induction hat das passende Ofensystem OCN nach aufwendigen Vorversuchen für den Stahl-Niederdruckguss entwickelt und bereits erfolgreich im Einsatz. Die Performance dieser Niederdrucktechnologie und des -gießsystems sowie die sich daraus ergebenden Möglichkeiten für die Konstruktion und die Herstellung von Stahlgussbauteilen insbesondere im Automotive-Bereich werden in diesem Blog-Artikel vorgestellt.

Anwendung von Niederdruckguss auf alle bestehenden Formverfahren

Der Niederdruckguss von Eisen- und Stahlwerkstoffen ist vor allem interessant als Leichtbau-Alternative zu CFK, Magnesium oder Aluminium. Denn in Verbindung mit immer filigraneren und komplexeren Bauteilgeometrien sowie steigenden Qualitätsanforderungen stellen die prozessbedingten Limitierungen bekannter Gießverfahren die Konstrukteure, Gießer und Gießerei-Ingenieure vor große Herausforderungen. Der Niederdruckguss schafft hier Abhilfe: Das Gießverfahren und das ABP Ofensystem OCN ist nicht auf die Anwendung für furanharzgebundene Kernpakete beschränkt. Der Prozess lässt sich für alle bestehenden Formverfahren anwenden, von organischen und anorganischen Formstoffbindersystemen über bentonitgebunde Sandgussformen bis zu keramischen Formstoffen, und das für alle relevanten Legierungen im Stahl und Eisenguss. Das zeigt sich insbesondere am Beispiel der gegossenen Abgasturbolader, wo hochtemperaturbeständige Stahlgusswerkstoffe in Großserie im Niederdruckguss vergossen werden. Somit ermöglicht das Niederdruckgießen einerseits etablierten Stahlgießereien und Feingussgießereien eine wesentliche Erweiterung ihres Fertigungsspektrums, andererseits können etablierte Aluminium-Niederdruckgießereien durch Ergänzung des entsprechenden Ofensystems bei Beibehaltung der restlichen Anlagentechnik ihr Portfolio erweitern.

Im Niederdruckguss sind heute schon Bauteile mit einer Stärke von bis zu 0,8 Millimetern realisiert worden. In der Praxis hat sich der Durchschnitt für Stahlgussbauteile aktuell bei 1,5 bis 2 Millimetern eingependelt, bei Bauteilen mit einer Länge von bis zu 1,2 Metern. Damit ermöglicht der Niederdruckguss komplexe und gewichtsoptimierte Geometrien in einem ähnlichen Maße wie der Feinguss. Dem gegenüber stehen die signifikant niedrigeren Fertigungs- und Nachbearbeitungskosten von Bauteilen im Niederdruckguss, als auch die Möglichkeit, dünnwandige Bauteile oder Bauteile mit lokal dünnwandigen und komplexen Konturen in nahezu beliebiger Größe herzustellen. Die Übertragung dieser fertigungstechnischen Möglichkeiten in ein optimiertes Design bietet zusätzliche wesentliche Einsparpotenziale.

Niederdruckguss im Automotive-Bereich: Vorteile gegenüber Kunststoffen

Ein genauer Blick auf diese Potenziale offenbart die Chancen für Eisen und Stahl gerade auch im Automotive-Bereich: Im Leichtbau kann der Niederdruckguss grundsätzlich die Vorteile der Eisenbasiswerkstoffe gegenüber Kunststoffen ausspielen – vor allem wenn es um Festigkeit, Recycling und Materialbedarf geht. Das spielt gerade im Automotive-Sektor mit seiner hohen Innovationsdynamik eine große Rolle. Gusswerkstoffe haben anerkanntermaßen große Vorteile hinsichtlich Festigkeit und Dehnung und nur Gusswerkstoffe können zu 100 Prozent recycelt und anschließend wieder zu demselben hochwertigen Produkt vergossen werden. Kunststoffe haben demgegenüber die Recycling-Frage nicht vollständig gelöst. Ein wesentlicher Vorteil ist also die weniger benötigte Menge an Kreislaufmaterial. Damit werden nicht nur weniger Einsatzmaterialen benötigt, sondern auch die Kosten in den nachgelagerten Prozessschritten Putzen, Entgraten und der mechanischen Bearbeitung deutlich reduziert. Der Blick in Richtung der Aluminiumverarbeitung zeigt, dass auch deswegen der Marktanteil des Niederdruckgusses stetig steigt.

Durch die vorteilhaften Prozessbedingungen des Niederdruckgusses ist das Anguss- und Speisersystem verkleinert. Die eingesparten Kapazitäten im Schmelzbereich generieren für die Gießereien wertvolle Einsparpotenziale oder zusätzliche Umsatzpotenziale. Gerade in Verbindung mit dem zunehmenden Leichtbaugedanken im Automotive Bereich ist auch der Blick auf das eingesetzte Material interessant. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass verbesserte Antriebstechnologien – beispielsweise Effizienzmaßnahmen im Verbrennungsmotor und Getriebe –auch die Anforderungen an die Fertigungstechnik erhöhen. Verbundmaterialien wie CFK und Leichtbaumaterialien wie Aluminium oder Magnesium weisen zwar ein hervorragendes Leichtbaupotenzial auf, beide Materialen haben gegenüber Stahl zahlreiche Nachteile. Unter anderem ist der Primärwerkstoff signifikant teurer, die Fügetechnik zu angrenzenden Bauteilen aufwendiger, welche bei Mischbauvarianten zusätzliche Aufwendungen zum Korrosionsschutz erfordert und Reparaturkonzepte verteuert.

Vorteile von Niederdruckguss im Automotive-Bereich: Beispiel Turbolader-Gehäuse

Auch eignen sich Materialien wie Aluminium nicht für alle Gussteile – man denke zum Beispiel an Gehäuse für Turbolader. Ein wesentliches Entwicklungsziel in der Automobil-Motorentechnik ist schließlich die Verbrauchsreduzierung durch Effizienzsteigerung aufgeladener Otto-Motoren. Daraus folgen die Temperatursteigerung der Abgase am Motoraustritt auf über 1.000 Grad Celsius sowie steigende Ansprüche an die eingesetzten Werkstoffe hinsichtlich Festigkeit, Kriechverhalten, Beständigkeit gegen Ermüdung, Gefüge-Stabilität und Oxidationsbeständigkeit. Durch die Möglichkeit, Stahl im Niederdruckguss lastgerecht und dünnwandiger herstellen zu können, kann der Werkstoff hier einen deutlichen Vorteil ausspielen: In den gängigen und weltweit verfügbaren Verfahren der Endmontage und auch bei Reparaturen ist er einfach zu handhaben. Das gilt auch für Eisengussbauteile und -werkstoffe: In den letzten Jahren war der Leichtguss besonders im Eisengussbereich stark gefragt, generell ist zu sagen, dass Guss für bionische Konstruktionen prädestiniert ist. Für den Stahlguss eröffnen sich hier weitere Anwendungsfelder. Zurzeit wird die Stahl-Dünnwandtechnologie weiterentwickelt, denn es gibt neue Anwendungen, die erst mit E-Mobility entstehen und durch Stahl-Dünnwandguss ermöglicht werden. Einige Komponenten im Bereich des Chassis werden entwickelt, ein Beispiel aus der Praxis sind Federstützen.

Im Automobilbau rücken so sowohl Strukturbauteile wie auch Knotenelemente im Bereich Chassis und auch Achskomponenten in den Fokus. Als große Abnehmerbranchen können natürlich der Pkw- und Lkw-Bau sowie der Maschinenbau mit seinen vielen Subsegmenten, daneben gibt es noch viele weitere spezielle Segmente, angesehen werden. Stahlguss als Leichtbaukomponente oder noch komplexere Eisengussbauteile können bei dünnwandiger und filigraner Herstellung ihre einmalige Kombination aus hoher Festigkeit, Duktilität und Steifigkeit ausspielen. Das gilt nicht nur für PKW, sondern auch für den Nutzfahrzeugbereich. Hier ergibt sich der weitere Vorteil, dass die steiferen Strukturen höhere Nutzlasten erlauben und somit auch im Betrieb effizienter und ressourcenschonender sind. Denkbar ist der Einsatz zum Beispiel bei Motorkomponenten oder Felgen.

Otto-Motoren oder E-Mobilität? Eisenguss wird für beides benötigt

Gewichtsreduzierung wird im Automobilguss ein Hauptentwicklungsziel bleiben, unabhängig von E-Mobilität: Denn es zeichnet sich nach Meinung vieler Experten schon heute ab, dass sowohl im vollelektrischen Fahrzeug als auch bei konventionellen Antrieben weiterhin Lösungen in Guss gebraucht werden. Leichtbau in Eisenguss, aber auch in dünnwandigem Stahlguss, wird neben weiter optimierten Leichtmetalllösungen auch künftig gebraucht. Dies basiert auf den überragenden Eigenschaften der Metalle in Bezug auf Dauerfestigkeiten und den Freiheitsgraden beim Design durch bionische Konstruktionen. Im Maschinen- und Anlagenbau kämen diverse Maschinenkomponenten bis hin zu den Antrieben, insbesondere für Hochdrehmomentmotoren, in Frage, die wiederum in Zukunft auch im Automobilbau Anwendung finden. Die Anwendungsmöglichkeiten des Niederdruckguss-Verfahrens sind jedoch nicht auf dünnwandige Leichtbaukomponenten beschränkt. Die wesentlichen Vorteile, wie z.B. die turbulenzarme Formfüllung, die verringerten Anschnitt- und Speisersysteme und die reproduzierbaren Abgussbedingungen sind gleichermaßen interessant für nahezu alle weiteren Anwendungsgebiete im Stahlguss.

Im Niederdruckguss ist der Prozess im Wesentlichen gekapselt, wodurch während des Abgusses weniger bis gar keine Probleme mit Funkenbildung, Spritzern und bei weitem reduzierte Arbeitsplatzbelastungen resultieren. Hinsichtlich der Umwelt- und Nachhaltigkeitsaspekte ist durch die dünnwandige Herstellung direkt der hochfeste Leichtbau adressiert, der zur Reduzierung von Kraftstoff und Energieverbrauch im Einsatz beiträgt. In der Herstellung werden durch die mögliche Wandstärkenreduktionen im Designprozess Materialbedarf und folglich Energiebedarf noch einmal reduziert. Zum Ende des Produktlebenszyklus‘ können durch die Vermeidung von Mischbauweisen oder Verbundwerkstoffen aufwendige Recyclingprozesse mit geringen Wiederverwertungsquoten vermieden werden. Man sieht: Es geht auch um das Zusammenspiel dieser betriebs- und umweltrelevanten Aspekte mit Qualitäts- und Kostenfaktoren der Massenproduktion und mit Designaspekten.

Eine besondere Rolle bei jeder Fertigungstechnologie spielt die Umweltverträglichkeit. Unter diesem Aspekt sind das Maskenformverfahren oder die Formträgertechnologie komplementär zum Niederdruckgießen von Eisenbasiswerkstoffen. Zusammen wird eine erhebliche Formstoffeinsparung ermöglicht, wodurch nicht nur Ressourcen gespart, sondern auch das sensible Thema der Entsorgung von Gießereiabfällen angegangen wird. Gegenüber anderen Werkstoffen und Herstellungsverfahren spart das Stahl- und Eisen-Niederdruckgießen nicht nur Energie durch die geringeren Mengen an Einsatzmaterial. Da der CO2-Ausstoß der Stahlproduktion etwa sechs Mal geringer ist als bei der Herstellung von Aluminiumprodukten für vergleichbare Anwendungsfälle, gewinnt der leichte Stahlguss gerade in Zeiten, wo es auf Ressourcen- und Energieeffizienz ankommt, enorm an Bedeutung.

Niederdruckguss und Automotive: ein Ausblick

Der Blick auf die Chancen für Eisen und Stahl im Niederdruckguss ist naturgemäß ein Blick in die Zukunft. Dennoch ergibt sich hier allein aufgrund der bisherigen Praxis-Erfahrungen ein recht klares Bild: Die Anforderungen, in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus immer mehr Leichtbaumaßnahmen zu realisieren, steigen ständig weiter an. Betrachtet man diese Anforderungen, so lässt sich feststellen, dass die herkömmlichen Technologien eine weitere Steigerung der Leichtbaupotenziale nicht mehr gewährleisten können. Durch den verstärkten Einsatz von Leichtbautechnologien ist eine höhere Material- und Energieeffizienz und somit eine Gesamtkostensenkung und Ressourceneinsparungen erreichbar. Für Eisen- und Stahlgießereien, die insbesondere in der Verbrennungsmotortechnologie- verwurzelt sind, lassen sich neue Geschäftsmodelle und -felder entwickeln. Ein Praxisbeispiel: Das Eisenwerk Hasenclever setzt über das Niederdruck-Gießverfahren auf neue Produkte. Neben Stahlguss-Turboladern sowie A- und B-Säulen für Autokarosserien sind auch Gehäuse für die Motoren von E-Bikes in der Produktion.

Potenziale hat das Verfahren nicht nur im dünnwandigen und filigranen Bereich, sondern gerade auch dort, wo schwierige Konturen herzustellen sind und neue Konstruktionen gegossen werden müssen. Es werden somit Komponenten gießbar, die bisher geometrisch nicht als Gussteile produzierbar waren. Um eine konkrete Anwendung des Niederdruckgussverfahrens im Stahlguss ermöglichen zu können, hat ABP Induction das OCN Ofensystem entwickelt. Dabei handelt es sich um die bislang einzige Anlage für die Produktion von Stahlguss im Niederdruckgießverfahren in der industriellen Praxis im Dauerbetrieb. Sie bietet je nach Ausführung ein Nutzfassungsvermögen von 1.000 bis 10.000 Kilogramm. Das Ofensystem mit der modernen IGBT-Umrichtertechnik ist für den Stahl-, Eisen- und Nicht-Eisen-Guss konzipiert.

Weitere Informationen:
Markus Hagedorn, ABP Induction Systems GmbH
Sales Manager Liquid Metals
Phone: +49 231 997 2295
Cell: +49 175 5538500
markus.hagedorn@abpinduction.com