Laufzeit: 01.01.2020 – 31.10.2022

Forschungseinrichtungen:

Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM - Klebtechnik und Oberflächen

Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT

Hochwertige Gussbauteile mit filigranen inneren Hohlräumen werden im Feinguss durch den Ein-satz von keramischen Kernen gefertigt. Für eine rückstandsfreie Entkernung nach dem Gießpro-zess ist im Falle von Aluminiumlegierungen ein chemisches Herauslösen durch Laugen nicht möglich. Die Entkernung kann nur mechanisch erfolgen, was zu Bauteilschädigungen und erhöhtem Ausschuss führt.

Im Forschungsvorhaben sollte zur Verbesserung der Entkernung von Aluminiumfeingussbauteilen ein neues, kollabierbares Kernmaterial entwickelt werden, dessen mechanische und thermophysikalische Eigenschaften im Hinblick auf die Anforderungen im Kernherstellungs- und Gießprozess optimiert werden. Das neue Kernmaterial besteht aus Mikro-Hohlkugeln und weiteren Füllstoffen in einer phosphatgebundenen Matrix. Die Hohlkugeln sollen unter hydrostatischem Druck kollabieren, so dass sich die Bauteile mit reduziertem Putzaufwand besser entkernen lassen als konventionelle Kerne.

Zunächst wurden Hohlkugeln unterschiedlicherTypen, Größen und Druckbeständigkeit auf ihre Tauglichkeit getestet, ein geeigneter Bindemittelanteil und ein günstiges Magnesiumoxid-Phosphat-Verhältnis bestimmt und das thermomechanische Verhalten und die Kollabierbarkeit des Kernmaterials untersucht. Als Bindemittel wurde ein Schmelzmagnesia (MgO) und Monoammoniumphosphat (MAP) gewählt, welches den Kernmassen von 20 bis 33,3 Massen-% zugesetzt wurde. Das thermomechanische Verhalten der Kernmassen wurde durch den Zusatz von Quarzmehl, Aluminiumoxid und Mikrosilika beeinflusst. Die Schwindung während der Aushärtung der Kernmassen konnte durch den Zusatz von Kieselsol zum Anmischwasser eingestellt werden.

Kerne mit zusätzlichem Füllstoff Aluminiumoxid kollabierten zwar vollständig, wiesen aber eine geringere mechanische Festigkeit auf, so dass es bei der Herstellung komplexerer Kerne häufig zu Brüchen bei der Kernfertigung oder im Gießprozess kam. Diese Rezepturen eignen sich daher lediglich für großvolumige und geometrisch einfache Kerne. Durch den Zusatz der Füllstoffe Quarzmehl oder Mikrosilika verbessert sich das mechanische Verhalten der Kerne, so dass mit diesen Mischungen auch komplexere Kerngeometrien gefertigt werden können. Hierzu wurden die Kerne vor dem Umspritzen mit Wachs einmal auf 850 °C aufgeheizt und die mit einem polymeren Härter imprägniert. So wurden das Handling der Kerne verbessert und die Bruchgefahr reduziert. Durch die besseren mechanischen Eigenschaften der Kerne führt hydrostatischer Druck allerdings nicht mehr zu einem vollständigen Kollaps des Kerns. Es kommt aber zu einer starken Schwächung der Struktur, sodass auch diese Kerne sich durch Verwendung eines Hochdruckwasserstrahls leicht ausspülen lassen.

Generell ist aber die erreichbare mechanische Festigkeit der kollabierbaren Kerne recht niedrig und die Fertigung von dünnen kanalartigen Ker-nen lässt sich nur bedingt umsetzen. Die Herstellung kollabierbarer Kerne erfordert im Vergleich zu konventionellen Kernen, die im Spritzguss hergestellt werden, deutlich mehr Zeit. Daher ist der Einsatz dieser Kerntechnologie eher im Bereich der Prototypenfertigung bis hin zu mittleren Serien zu sehen. Durch den Einsatz von mehreren Kernformen kann die Stückzahl relativ einfach erhöht werden. Vorteilhaft ist, dass die Herstellung der Kerne durch die Verwendung von kostengünstigen Silikonformen und dem Verzicht auf eine Spritzgussmaschine direkt in der Gießerei erfolgen kann und geometrische Anpassungen schnell umgesetzt werden können.

Veröffentlichung: GIESSEREI 6/2023, S. 88ff.