Full text of DOI:10.1002/1521-4052(200006)31:6<428::AID-MAWE428>3.0.CO;2-K

Herstellung flaÈ chiger Leichtbauteile durch
Umgieûen von Aluminium-SchaÈ umen im
Druckgieûverfahren
F. Heinrich, C. KoÈ rner und R. F. Singer*
1 Einleitung
Der Einsatz von AluminiumschaÈumen besitzt ein groûes
Potential zur Entwicklung gewichtsoptimierter Leichtbauver-
bundstrukturen. Durch Kombination von SchaÈumen geringer
Dichte, die als Kern eingesetzt werden, mit massiven Deck-
schichten lassen sich Werkstoffverbunde mit hoher spezifi-
scher Steifigkeit [1] und hohem EnergieabsorptionsvermoÈ-
gen [2] herstellen.
Zur Herstellung derartiger Verbunde muÈssen jedoch geeig-
nete FuÈgeverfahren bereit stehen. In Frage kommen Techni-
ken wie Walzplattieren, Schweiûen, Kleben, etc. [3±7]. Ne-
ben bestimmten verfahrensspezifischen Nachteilen ist diesen
FuÈgeverfahren eine nur eingeschraÈnkte Geometriekomplexi-
taÈt und das teilweise Verbleiben von nicht geschlossenen
SchaumoberflaÈchen gemeinsam.
Abb. 1. Vergleich der Druckkurven bei herkoÈmmlicher und echt-
zeitgeregelter Maschinensteuerung einer Druckgieûanlage.
Im folgenden wird die Anwendung des Druckgieûverfah-
rens zum Umgieûen von Al-SchaumkoÈrpern behandelt. Die-
ses besonders bei hoÈheren StuÈckzahlen sehr wirtschaftliche
Verfahren [8] erlaubt die Herstellung komplexer Verbundbau-
teile mit lokalem Al-Schaumkern und zusaÈtzlichen Funktions-
elementen in nur einem Prozessschritt. ZusaÈtzlich wird eine
allseitig geschlossene OberflaÈche erzielt. Der Einsatz von
Schaumkernen bietet durch seine geringe Dichte auch eine
zusaÈtzliche AnwendungsmoÈglichkeit als Ersatz von Salzker-
nen im Druckguss [9], wodurch bestimmte komplexe Geo-
metrien erst moÈglich werden, weil der Schaumkern nicht ent-
fernt werden muss und permanent im Bauteil verbleiben kann.
2 Experimentelles
Grundvoraussetzung fuÈr den Einsatz von Al-Schaumkernen
ist die Verwendung einer echtzeitgeregelten Druckgieûanlage,
Abb. 2. PlattenfoÈrmiges Druckgussteil mit links und rechts je zwei
Funktionselementen, das in der vorliegenden Untersuchung als De-
monstrationsbauteil diente.
da nur diese Steuerung in der Lage ist, die Gieûkurve und
insbesondere die Nachdruckphase so zu regeln, dass es zu
keiner unkontrollierten Druckspitze am Ende der FormfuÈll-
phase kommt (Abb. 1). Als Umgieûwerkstoff wurde die
Druckgusslegierung AlSi9Cu3 verwendet. FuÈr die Untersu-
chungen wurde ein plattenfoÈrmiges Bauteil mit zusaÈtzlichen
Funktionselementen gewaÈhlt (Abb. 2), in welches eine ent-
sprechend geformte Al-Schaumplatte eingelegt werden
konnte (vgl. Abb. 3). Die Herstellung der Schaumkerne
(h  b  d ˆ 148  128  10,5 mm3) erfolgte nach dem pul-
vermetallurgischen Verfahren [3] aus stranggepressten Halb-
zeugprofilen. Eingesetzt wurden eine AlSi10-Guss- sowie
eine AlMg1-Knetlegierung. Das AufschaÈumen der entspre-
chend dimensionierten Kerne geschah durch Einlegen einer
ausreichenden Menge Vormaterials in eine Stahlform und an-
schlieûendes Aufheizen uÈber Liquidustemperatur in einem auf
750 8C bzw. 800 8C erwaÈrmten Ofen. Die so hergestellten
Schaumteile besitzen bedingt durch das Verfahren eine ge-
schlossene Oxidauûenhaut.
Die Versuchsauswertung umgossener Schaumkerne er-
folgte uÈber Bestimmung der resultierenden PorositaÈt in der
gegossenen Auûenhaut sowie des Anteils an infiltriertem Po-
* Institut fuÈr Werkstoffwissenschaften, Lehrstuhl fuÈr Werkstoff-
kunde und Technologie der Metalle WTM, UniversitaÈt Erlan-
gen-NuÈrnberg
428
0933-5137/00/0606-0428$17.50 ‡ .50/0
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 428±431 (2000)
Ó WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69451 Weinheim, 2000

Abb. 3. Al-Schaumkern mit ange-
schaÈumten, linienhaften Abstands-
haltern (links) und Detail-
aufnahme eines Abstandshalters
(Mitte). Derartige Kerne wurden
in das Demonstrationsbauteil
(Abb. 2) eingebracht, d. h. im
Druckguss umgossen (rechts).
renvolumen. Im Falle der PorositaÈt der Auûenhaut geschah bei erhoÈhten Schmelzetemperaturen (bis 780 8C) nicht festge-
dies uÈber mehrfaches Trennen der einzelnen Platten in LaÈngs- stellt. Kern- und Werkzeugtemperatur hatten in den unter-
richtung und Bestimmung des Porengehaltes mittels optischer suchten Grenzen keinen signifikanten Einfluss auf die Um-
Bildanalyse entlang dieser Schliffe. Das infiltrierte Porenvo- gieûbarkeit.
lumen wurde durch Massebestimmung der Kerne und des Als HaupteinflussgroÈûe wurde der Nachdruck pN festge-
kompletten Bauteils ermittelt, indem anschlieûend auf den stellt. Dabei wird prinzipiell eine Maximierung angestrebt,
Gehalt der infiltrierten Poren zuruÈckgerechnet wurde.
um die resultierende GieûporositaÈt in der gegossenen Auûen-
haut zu minimieren. In AbhaÈngigkeit der HoÈhe des Nachdru-
ckes traten zwei druckabhaÈngige SchaumschaÈdigungsmecha-
nismen auf: Infiltration der Struktur sowie Deformation des
Schaumes.
3 Ergebnisse und Diskussion
3.1 Kernfixierung
3.3 SchaÈ digungsmechanismen
Aufgabe der Kernfixierung ist zum einen das Einhalten des
notwendigen Abstandes zur Formwandung bei der FormfuÈl-
lung entsprechend der zu erzielenden Auûenhaut, zum ande-
ren die Selbstfixierung des Kernes bei geoÈffneter Form. Fi-
xierelemente auf Werkzeugseite scheiden aufgrund der Forde-
rung nach einer geschlossenen Auûenhaut aus.
È
Uberschreitet das Druckniveau pN die Druckfestigkeit rC
des Schaumkernes (pN), kommt es zu einer Deformation
des gesamten SchaumkoÈrpers (Abb. 4). Die allgemeine
Druckfestigkeit des Schaumes definiert damit die Obergrenze
des Forminnendruckes und des anwendbaren Nachdruckes.
Die Druckfestigkeit ist proportional der Dichte des Schaumes
und primaÈr nur uÈber diesen variierbar. Abb. 5 zeigt die Druck-
festigkeiten von Proben, die je einem Schaumkern aus Guss-
und Knetlegierung entnommen waren, in AbhaÈngigkeit von
der Dichte. Es wird eine starke Dichtestreuung innerhalb ei-
nes Schaumkernes von 0,45 bis 0,85 g/cm3 deutlich, wobei
sich die geringeren Dichten und damit auch die niedrigeren
Druckfestigkeiten herstellungsbedingt an den PlattenraÈndern
finden. Insgesamt betrachtet ist das Festigkeitsniveau beider
Legierungen gleich. Die Knetlegierung zeigt allgemein eine
breitere Streuung der Festigkeitswerte. Diese begruÈndet
sich durch deren groÈbere Porenstruktur. Aufgrund der Platten-
dicke von 10,5 mm liegen hier zum Teil nur ein oder zwei
Poren in Dickenrichtung uÈbereinander und die Druckfestig-
keit einer Probe ergibt sich aus den Mittelwerten sehr weni-
ger Einzelporen. Im Gegensatz dazu findet man bei der Guss-
legierung eine Vielzahl von Poren und es kann sich somit auch
bei eingeschraÈnkter Probengeometrie ein deutlich zuverlaÈssi-
gerer Mittelwert ausbilden.
Realisiert wurde die Kernfixierung mittels angeschaÈumter
Abstandshalter (AH). HierfuÈr wurden in der SchaÈumform ent-
sprechende Aussparungen eingebracht. Untersucht wurden
zum einen punktfoÈrmige, zum anderen linienhafte AH. Die
erste Art wurde im Sinne einer minimalen KontaktflaÈche
zur Form gewaÈhlt und hatte die Gestalt einer Halbkugel.
Diese AH hielten jedoch dem Druck waÈhrend der FormfuÈl-
lung nicht stand. Es kam zu einem Verkippen der Kerne im
Druckgieûwerkzeug, wodurch eine geschlossene Auûenhaut
verhindert wurde. Die linienhaften AH (Abb. 3) hatten eine
LaÈnge von 15 mm und einen Spitzenwinkel von 458. Auf-
grund der groÈûeren KontaktflaÈche, der guÈnstigeren Kraftein-
leitung und des in den AH deutlich niedrigeren Porengehaltes
konnte ein Komprimieren der AH und damit ein Verkippen
der Kerne zuverlaÈssig verhindert werden. Eine Behinderung
des Schmelzflusses waÈhrend der FormfuÈllung wurde durch
geeignete Orientierung der AH vermieden.
3.2 Einfluss der Druckgieûparameter
Vorversuche hatten gezeigt, dass das Anschnittsystem so zu
waÈhlen ist, dass ein senkrechtes Auftreffen der Schmelze auf
den Schaumkern und damit eine Infiltration waÈhrend der
FormfuÈllung vermieden wird. Bei entsprechend gestalteter
paralleler SchmelzefuÈhrung trat eine KernschaÈdigung bei An-
schnittgeschwindigkeiten von 8±30 m/s nur noch in extrem
belasteten Randbereichen auf. Eine geschlossene Auûenhaut
konnte bei einer WandstaÈrke von 3 mm zuverlaÈssig erzielt
werden. Ein Aufschmelzen der Schaumkerne wurde auch
Abb. 4. Komprimierter Schaumkern durch hohen Nachdruck ober-
halb der allgemeinen Druckfestigkeit des Schaumes
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 428±431 (2000)
Leichtbauteile
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3.4 Schaumkernbeschichtungen
Die Anforderungen an eine geeignete Beschichtung sind
neben der Dichtheit der Schicht eine ausreichende Festig-
keit, die MoÈglichkeit zum Aufbringen ausreichender Schicht-
dicken, eine gute Haftung auf der Schaumauûenhaut, eine
moÈglichst einfache ProzessfuÈhrung und allgemein niedrige
Kosten. Aus diesen GruÈnden wurden insbesondere Schichten
aus Rein-Al mittels Drahtflammspritzen sowie eine kerami-
sche Schlickerschicht aus einem MgAl-Spinell in einem Kie-
selsol untersucht.
Die Vorteile der Drahtflammspritzschicht liegen neben der
Verwendung eines artgleichen Werkstoffs vor allem in der
guten Haftung sowie der fuÈr eine stoffschluÈssige Verbindung
guÈnstigen rauhen OberflaÈche, dem einfachen und ¹trockenenª
Verfahren ohne Gefahr von RuÈckstaÈnden im SchaumkoÈrper
sowie der MoÈglichkeit zur Erzeugung relativ dicker Schich-
Abb. 5. Verlauf der Druckfestigkeit in AbhaÈngigkeit der Schaum-
dichte fuÈr Proben aus je einer Platte einer Guss- und einer Knetle-
gierung
Bei niedrigeren DruÈcken 0 < pN < rC kommt es zu einer ten. Als Gestaltungsrichtlinie fuÈr die Kernherstellung ergibt
Infiltration von einzelnen Poren ohne allgemeine Deformati- sich die Vermeidung scharfer Kanten, welche nach dem Be-
on der inneren Schaumstruktur (Abb. 6). Das Eindringen der schichtungsprozess zu einem Abplatzen der Schichten fuÈhren
Schmelze geschieht uÈber vorhandene OberflaÈchenfehler wie koÈnnen.
Poren, Risse und Falten oder uÈber lokales mechanisches
Die Vorteile des keramischen Schlickers liegen in der An-
È
Durchbrechen der Schaumauûenhaut (Abb. 6). Ein Uber- wendung eines einfachen Tauchverfahrens sowie der guten
schreiten dieser lokalen Druckfestigkeit und damit Infiltrati- Schichthaftung. Problematisch kann sich der sproÈde Charak-
on findet uÈberwiegend in Bereichen hohen Porengehaltes ter der Schicht sowie die notwendige hohe ViskositaÈt des
d. h. niedriger Dichte statt. Dies sind zum einen wie oben er- Schlickers zur Vermeidung einer Infiltration des Schaumes
waÈhnt die Randbereiche, wobei hier auch herstellungsbedingt erweisen.
die meisten OberflaÈchenfehler auftreten, andererseits statisti-
sche Abschnitte innerhalb der Platte. Aufgrund der niedrigen
3.5 Vergleich der Versuchsergebnisse
Dichte ist die Schaumauûenhaut an diesen Stellen geschwaÈcht
bzw. besonders duÈnn. Der Einsatz eines Gusslegierungskernes
erweist sich allgemein als vorteilhaft, da eine Ausbreitung der
Abb. 7 zeigt die Ergebnisse von Umgieûversuchen mit un-
Schmelze innerhalb des Kerns aufgrund der feinen Poren- beschichteten und beschichteten Schaumkernen. Verwendet
struktur erschwert wird.
wurden Guss- und Knetlegierungskerne mit mittleren Dich-
Eine Verbesserung der lokalen Druckfestigkeit lieûe sich ten von 0,54 bis 0,76 g/cm3. Die Spritzschichten hatten
durch eine staÈrkere Ausbildung der Schaumauûenhaut errei- eine Dicke von etwa 200 lm, die Schlickerschicht von
chen, was jedoch praktisch noch nicht realisiert werden etwa 300 bis 400 lm. Aufgetragen sind das resultierende mitt-
konnte. Aussichtsreich erscheint hingegen das nachtraÈgliche lere Porenvolumen in der Auûenhaut sowie das infiltrierte
Aufbringen einer verstaÈrkenden OberflaÈchenschicht.
Porenvolumen des Schaumkernes im AbhaÈngigkeit des spezi-
Abb. 6. Infiltrierter Schaumkern ohne Defor-
mation der Schaumstruktur (links). Der Nach-
druck lag tiefer als im Beispiel der Abbildung
4. Querschnitt einer von der Schmelze durch-
brochenen Zellauûenwand (rechts)
Abb. 7. Ergebnisse von Umgieû-
versuchen mit unbeschichteten
und beschichteten Schaumkernen.
Aufgetragen ist das infiltrierte Po-
renvolumen im Schaumkern und
das Porenvolumen in der Auûen-
haut (GussporositaÈt im umgosse-
nen Bereich) als Funktion des
spezifischen Gieûdruckes in der
Gieûkammer. Beschichtungen wir-
ken sich sehr vorteilhaft aus.
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F. Heinrich, C. KoÈrner, R. Singer
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 428±431 (2000)

folgt eine SchaÈdigung der Schaumkerne durch Infiltration
von einzelnen Poren (uÈberschrittene lokale Druckfestigkeit),
bei DruÈcken oberhalb der Druckfestigkeit des Schaumes
kommt es zu einer Deformation der Kerne (uÈberschrittene all-
gemeine Druckfestigkeit). WaÈhrend der zweite Effekt den
moÈglichen Nachdruck grundsaÈtzlich begrenzt, ist eine Ver-
besserung des Infiltrationswiderstandes durch eine nachtraÈg-
liche Beschichtung der Schaumkerne moÈglich. Schichten
durch Aluminium-Drahtflammspritzen sowie aus einem kera-
mischen Schlicker fuÈhren bei gleichen DruÈcken zu einer deut-
lichen Reduzierung des infiltrierten Porenvolumens im
Schaum sowie der resultierenden PorositaÈt in der gegossenen
Auûenhaut.
Danksagung
Abb. 8. Schnitte durch einen umgossenen, mit Al-Drahtflamm-
spritzen beschichteten Schaumkern mit einer geringen Auûenhaut-
porositaÈt von 2,3% und einem geringen infiltriertem Porenvolumen
von 3,6 %
Wir danken der Deutschen Forschungsgesellschaft fuÈr die
UnterstuÈtzung dieses Projektes im Rahmen des Sonderfor-
schungsbereiches 396.
fischen Gieûdruckes pS. pS ist der tatsaÈchlich in der Gieûkam-
mer wirkende Druck, welcher z. T. deutlich uÈber den gemes-
senen Druckfestigkeiten liegt. Dies deutet darauf hin, dass pS
nicht in voller HoÈhe auf den Kern einwirkt, was sich durch die
komplexen StroÈmungsverhaÈltnisse in der Form sowie soforti-
ge teilweise Erstarrung und entsprechende Reibung erklaÈren
laÈsst.
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Conference on Metal Foams and Porous Metal Structures, 14th±
16th June 1999. Verlag MIT, Bremen, S. 37±44.
Die Graphen zeigen die erwartete Abnahme der Auûen-
hautporositaÈt mit zunehmendem Gieûdruck, was durch eine
zunehmende Porenverdichtung und Nachspeisung begruÈndet
ist. Gleichzeitig nimmt jedoch die Infiltration von Porenvolu-
men im Schaum zu, da es mit zunehmendem Druck zu einer
È
groûflaÈchigeren Uberschreitung der lokalen Druckfestigkeit
kommt. Vergleicht man beide Auftragungen, so wird die
gute Korrelation zwischen AuûenhautporositaÈt und Infiltrati-
on deutlich, was den unmittelbaren Zusammenhang dieser
beiden PhaÈnomene bestaÈtigt. Eine Beschichtung der Schaum-
kerne fuÈhrt zu einer deutlichen Verringerung der beiden Effek-
te (vgl. Abb. 8). Durch die ErhoÈhung der lokalen Druckfestig-
keit steigt der Infiltrationswiderstand der Schaumauûenhaut
und das infiltrierte Porenvolumen wird deutlich verringert.
Der RuÈckgang der AuûenhautporositaÈt bei gleichem Druckni-
veau ist Folge der geringeren Infiltration, wodurch ein lokaler
Druckabfall in der Form vermieden und somit eine bessere
Verdichtung und Nachspeisung erreicht wird.
È
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San Francisco, USA. Materials Research Soc., Warrendale,
USA, 1998.
Es wurde die Anwendung des Druckgieûverfahrens zur
Herstellung flaÈchiger Leichtbauteile durch Umgieûen von
AluminiumschaÈumen untersucht. Eine zuverlaÈssige Fixie-
rung der Al-Schaumkerne in der Druckgieûform erfolgte
durch AnschaÈumen von Abstandshaltern bei der Kernherstel-
lung. Als entscheidende StoÈrgroÈûe erwies sich die HoÈhe des
Druckes in der Nachdruckphase. Bei niedrigen DruÈcken er-
Eingangsdatum: 15.3.00
[T 190]
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 428±431 (2000)
Leichtbauteile
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