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Gießereitechnik

Die Arbeitsgruppe Gießereitechnik beschäftigt sich sowohl mit innovativer Prozesstechnik als auch mit Materialentwicklung.

Mitarbeiterfoto Peter Randelzhofer

P. Randelzhofer, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Tobias Gang

Tobias Gaag, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Paul Git

Paul Git, Dipl.-Phys.

Mitarbeiterfoto David Himmler

David Himmler, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Benjamin Wahlmann

Benjamin Wahlmann, M.Sc.

Bücher

Beiträge in Fachzeitschriften

Beiträge in Sammelwerken

Beiträge bei Tagungen

Abschlussarbeiten

Sonstige

In B1 wird das Vakuumfeingießen von einkristallinen Ni-Basis-Superlegierungen mit einem Wirbelbett als Alternativprozess zur bisher verwendeten Flüssigmetallkühlung (Liquid Metal Cooling – LMC) entwickelt. Dadurch können die zwei wesentlichen Nachteile des LMC-Verfahrens überwunden werden: Korrosionsangriff der Zinnschmelze aufgrund von Formschalenrissen sowie die langfristig zu befürchtende Einschleppung von Zinn in die Superlegierungen.

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A new numerical tool will be explored that supports the experimental alloy developer in defining new compositions with potential for high strength. Starting with a composition space that is defined by the developer based on his metallurgical experience and his design goals, the numerical tool will propose the most promising compositions. The research program will on the one hand address open questions regarding the mathematical optimization in this application and on the other hand new models for predicting the relevant material properties.

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Das Serviceprojekt WSP ist mit der Bereitstellung der einkristallinen Ni- und Co-Basis-Superlegierungen für die Teilprojekte befasst. Zu den Aufgaben des Serviceprojekts gehören die Be-schaffung, der einkristalline Abguss, die Qualitätskontrolle sowie die Dokumentation des Probenmaterials. Um die für eine spätere Antragsperiode vorgesehene Werkstoffentwicklung vorzubereiten, soll außerdem ein Rechenwerkzeug entwickelt werden, das die Planung einer Zusammensetzungsmatrix für Reihenuntersuchungen von Legierungen auf eine rationale Grundlage stellt.

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Der Aluminiumdruckguss ist ein effizientes und sehr weit
verbreitetes Verarbeitungsverfahren. Allerdings tritt bei der Herstellung und
Bearbeitung von Aluminiumbauteilen ein großes Problem auf. Aluminium verbindet
bzw. legiert sich bei erhöhten Temperaturen bzw. in der Schmelze mit nahezu
allen Metallen. So kommt es beim Gießen von Aluminiumbauteilen häufig zu
Werkzeugversagen (Ausspülungen, Risse), da die Aluminiumschmelze mit dem Eisen
der Stahlform bzw. mit darauf aufgebrachten Schutzschichten reagiert und diese
aus der Werkzeugoberfläche herauslöst. Um eine Verbindung zwischen mit der
Druckgussform zu verhindern, ist der Einsatz von Trennmitteln notwendig. Diese
Trennmittel sind aktuell technisch notwendig, bringen jedoch eine Reihe von
Nachteilen mit sich.

Ein neuer vielversprechender Ansatz sind kristalline
CVD-Diamantschichten. Diese können das Problem der Aluminiumadhäsion potentiell
lösen, da Aluminium selbst bei hohen Temperaturen im Bereich bis 700°C nicht
mit dem im Diamantgitter gebundenen Kohlenstoff reagiert. In Vorversuchen der
FAU konnte gezeigt werden, dass an dieser Beschichtung kein flüssiges Aluminium
anhaftet. Eine Entwicklung eines Beschichtungssystems für den Aluminium-Druckguss
mit einer Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturbelastungen von bis zu 700
°C und Drücken bis 1000 bar wurde bisher noch nicht verfolgt, dazu sind noch
zahlreiche Fragestellungen zu lösen. Daher soll in diesem Projekt ein
Diamant-beschichteter Aluminium-Druckguss Werkzeugeinsatz entwickelt werden,
welcher ohne den Einsatz von Trennmitteln betrieben werden kann und eine hohe
Standzeit aufweist.

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Die Weiterentwicklung der Aluminiumbasiswerkstoffe zielt überwiegend auf
die Erhöhung der Festigkeit ab, ohne dabei die Duktilität negativ zu
beeinflussen. Neben der Festigkeit wird zudem eine Erhöhung der
Steifigkeit angestrebt. Im Gegensatz zur Festigkeit kann bei
Aluminiumgusslegierungen die Steifigkeit nur in einem sehr geringen Maße
durch Legierungselemente verändert werden. Eine substanzielle Erhöhung
der Steifigkeit ist durch die Erzeugung von
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen möglich. Allerdings führt die schlechte
Benetzbarkeit zwischen Matrix und keramischen Partikeln in Kombination
mit den sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu
vergleichsweise schlechten Materialeigenschaften. Ein möglicher Ansatz,
das Problem der Benetzbarkeit und der mangelnden Anbindung der Partikel
an die Matrix zu lösen, ist die Verwendung von intermetallischen Phasen
auf Basis von Aluminium als Verstärkungskomponente. Diese Phasen
zeichnen sich durch eine niedrige Dichte  und eine gute Benetzbarkeit
mit der Aluminiummatrix aus. Zudem können diese Phasen durch eine
in-situ Reaktion in der Aluminiumschmelze entstehen, der Volumenanteil
an Verstärkungsphase nimmt bei dieser Reaktion zu. Durch eine spezielle
Rührtechnologie wird gewährleistet, dass die Verstärkungsphase sich fein
verteilt und die Matrix feinkörnig erstarrt.

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With Al-Mg-Si-Mn casting alloys with compositions inside of the pseudobinary section of the subsequent ternary phase diagram, the effect of Zn, Ti, Sc and Ag additions on the precepetation of nanoparticels in as-cast and heat-treated conditions as well as mechanical properties under different conditions (as-cast, solution treated, quenched andaged) will be studied. Despite of the established foundry practce of several Al-Mg-Si-Mn and Al-Zn-Mg casting alloys subjected to high pressure die casting only little research was done either on structure formation or strengthening mechanisms of these alloys and mechanical properties that can be achieved after additional alloying.

In frame of this project as cast conditions of AlMg5Si2Mn alloyed by Zn, Ti, Sc and Ag will be investigated paying attention to precipitates formed in solid solution matrix prior to heat treatment and changes of mechanical properties from as-cast state to age hardened.

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Ziel dieses Teilprojektes ist die Integration piezokeramischer Sensor-Aktor-Module in metallische Bauteile in einem Druckgießprozess. Den Lösungsweg für die schädigungsfreie Integration stellt die Ummantelung der einzugießenden Module mit einer von der Schmelze leicht durchdringbaren Drahtgewebestruktur dar. Hierbei minimiert die homogene Stützwirkung der Gewebestruktur die auf das Modul wirkenden lokalen Kräfte. Mit Hilfe von FE Simulationen wurden Prozessstrategien entwickelt, welche die bei der Abkühlung entstehenden Spannungen hinsichtlich Versagen und späterer Funktionalität optimieren.

In der letzten Projektphase soll ein Werkzeugsystem entwickelt werden, das die Fixierung der Module ohne Stützstruktur ermöglicht.

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The aim involved in designing metal matrix composite materials is to combine the desirable properties of metals and ceramics. The addition of high strength, high modulus refractory particles to a ductile metal matrix produces MMCs whose mechanical properties are excellent, such as high strength to weight ratio, high stiffness and good wear resistance. Due to these excellent attributes, MMCs are widely used in aerospace, automobiles, etc.
Among the variety of manufacturing processes available for particle reinforced aluminum materials, stir casting is generally accepted as a particularly promising approach as a result of its simplicity, flexibility, applicability to large quantity production and low costs of production. Though, in preparing particle reinforced aluminum materials by stir casting, we have to consider the following difficulties:
(1) How to achieve a uniform distribution of the reinforcement material.
(2) Promoting the wettability between the two main substances;
(3) Control chemical reactions between the reinforcement material and the matrix alloy.
A new high shear technology can be applied in producing particle reinforced aluminum materials. The aluminum melt is strongly sheared in the semi-liquid or liquid state. The high shear forces produced by a special designed impeller lead to very homogeneous dispersions of additives like particles. In addition, shearing has influence on the homogeneity of the melt and leads to finer grain structures. These effects are expected to be beneficial for the fabrication of metal matrix composites. Therefore, the particular focus of the project is to use shear device to introduce particles into an aluminum melt before die casting and the main aim is to evaluate the potential of the new high shear technology for conditioning of aluminum melts for pressure die casting.

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Die Auslegung von sicherheitsrelevanten Gussteilen im Leichtbau erfordert eine Berücksichtigung der inhomogenen Werkstoffeigenschaften bereits in der Konstruktionsphase, was aktuell in der Praxis noch nicht vollzogen ist. Durch Kopplung der Prozesssimulation mit der Lebensdauerberechnung sollen eine frühe Bewertung fertigungsbedingter Fehler im Hinblick auf die Schwingfestigkeit erreicht werden und konstruktive Maßnahmen zur optimierten Auslegung abgeleitet werden. Am Beispiel des Kokillengussverfahrens von Aluminium wird diese virtuelle Prozesskette erarbeitet und validiert. Die Modellierung der Herstellung beschreibt detailliert die Entstehung fertigungstypischer Defekte und die Evaluierung der Eigenschaften wird experimentell an entsprechenden, gezielt eingestellten Werkstoffzuständen durchgeführt. Damit wird eine frühe und sichere Bewertung durch rechnerische Bestimmung der Schwingfestigkeit möglich, die an einem Demonstrator vollzogen und im Anschluss an Realbauteilen validiert wird.

Ziel dieses Projekts im Verbund:

Die einzelnen Prüfkörper und Bauteile werden nach der zerstörenden Prüfung fraktografisch untersucht. Durch Betrachtung der Bruchflächen wird versucht, auf den Bruch auslösenden Bestandteil des Gefüges zu schließen und diesen zu dokumentieren. Im Einzelnen soll untersucht werden:

  • Art des bruchauslösenden Gefügemerkmals (Erstarrungspore, Gaspore oder Oxidfilm)
  • Größe, Ausprägung und Lage im Probekörper

Die Untersuchungen erfolgen vor allem im Rasterelektronenmikroskop. In Werkstoffen mit hinreichend großen Defekten (wie Gussporen und Einschlüsse) werden diese zum Ort des kritischen Anrisses. Sie können im Allgemeinen gut auf den Bruchflächen an Hand der Bruchverlaufslinien nachgewiesen werden. Eine Ausnahme stellen aber Oxidfilme dar, die oft nicht oder nur unzureichend sichtbar gemacht werden können. Hier muss im vorliegenden Forschungsprojekt Neuland betreten werden. Als Lösungsweg bieten sich REM-FIB-Untersuchungen an.

An ausgewählten Proben werden metallografische Schliffe zur Dokumentation der Mikrostruktur (im Zusammenhang mit dem Bruch) und der Porosität erstellt. Die Ergebnisse werden entsprechend statistisch aufgearbeitet und mit den Ergebnissen der gerechneten Defektverteilung korreliert.

Zusätzlich soll der Einfluss der defektfreien Mikrostruktur, insbesondere des Eutektikums, auf die Schwingfestigkeit untersucht werden. Dabei steht im Vordergrund, die Rolle der Morphologie des interdendritischen Bereichs zu evaluieren.

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Zellulare Materialien repräsentieren eine Materialklasse, deren strukturbedingte Eigenschaften mit abnehmender Zellgröße immer weiter an Potenzial gewinnen. Daher stellt die Reduzierung der Zellgröße werkstoffübergreifend ein wichtiges Entwicklungsziel dar. Weit fortgeschritten ist man bei Polymeren. Die Herstellung von mikro-zellularen Polymeren ist kommerzialisiert und man arbeitet bereits an der Realisierung nanozellularer Schäume. Ganz anders ist die Situation bei den Metallen. Die hier nach dem Stand der Technik realisierbaren Zellgrößen liegen bei relevanten Dichten im mm-Bereich. Ziel dieses Projektes ist es, eine theoretische und technologische Basis zur Herstellung von mikrozellularen Schäumen zu erarbeiten. Mit der angestrebten Zellgröße ~ 100 μm sollen nicht nur dünnwandige Strukturen realisierbar sondern auch das Materialpotenzial weiter ausgeschöpft werden. Dieses Ziel soll mit Hilfe eines am Lehrstuhl entwickelten Verfahrens zur Herstellung von geschäumten Druckgussbauteilen erreicht werden. Aufbauend auf dem bei WTM vorhandenen experimentellen und theoretischen Wissen zur Schaumentstehung werden neue Ansätze zur Beeinflussung der Blasenkeimbildung und Schaumstabilisierung realisiert.

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Die Darstellung komplexer Geometrien lässt den konventionellen Druckguss schnell an Grenzen stoßen. Die Realisierung geometrisch einfacher Hinterschnitte ist nur durch den Einsatz mechanisch aufwendiger und wartungsintensiver  Schiebertechnologien möglich. Aus dem Sand- und Kokillenguss bekannte Sandkerne mit ihren organischen und anorganischen Bindersystemen halten den verfahrensspezifischen Drücken und Geschwindigkeiten nicht Stand und sind deshalb nicht für die Anwendung im Druckguss geeignet. Die Verwendung verlorener Kerne aus Salz stellt hier eine Lösung dar. Nach dem Abgießen werden die Kerne mittels Hochdruckwasserstrahl vollständig aus dem Bauteil entformt und ermöglichen so die sandfreie Darstellung komplex hinterschnittiger Konturen im Leichtmetall-Druckguss.

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Complex 3-D carbon fibre preforms are to be infiltrated with aluminium in a high pressure die casting process. If our approach is successful, it will represent a major breakthrough compared to gas pressure infiltration, the state-of-the-art technology to manufacture fibre reinforced metal parts. Compared to the above mentioned technology, pressure die casting offers several advantages. The short cycle times characteristic for this process are not only of a substantial economic advantage, but also constrict the kinetically controlled deleterious reactions between the fibre-preforms and the aluminium matrix. Based on results of preliminary die casting experiments and numerical simulations of the infiltration process, an advanced mould design was realized in the past project phase further improving fibre preform preheating. In combination with advanced alloy compositions and fibre coatings developed by the project partners the main aims of the proposed continuation are to realize metal matrix composites (MMC) with improved transversal strength and ductility. A detailed understanding of the interface reactions is necessary to relate processing parameters, alloy and coating composition to the mechanical properties of the obtained MMC. In order to rationalise results, advanced microstructural investigations like SEM-FIB, high resolution TEM and numerical calculations of the infiltration process with Flow-3D and ABAQUS are envisaged.

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Das Kernziel des Vorhabens ist ein verbessertes mechanistisches Verständnis der Heißrissbildung bei der Erstarrung von Nickelbasislegierungen. Die Ergebnisse können in einem eventuellen Nachfolgeprojekt zur Entwicklung neuer besser gießbarer Legierungssysteme genutzt werden. Auf Basis umfangreicher Vorarbeiten gehen wir von der Erkenntnis aus, dass die Restschmelze in gut gießbaren Legierungen lokalisiert vorliegt und nicht filmartig verteilt ist. Im Antragszeitraum soll unter Verwendung numerischer und experimenteller Methoden die Mikrostrukturbildung während der Abkühlung aus dem vollflüssigen Bereich für unterschiedliche Legierungszusammensetzungen untersucht werden. Die numerische Darstellung des transienten Erstarrungsvorganges innerhalb der Mehrkomponentensysteme erfolgt mit Hilfe der Phasenfeldmethode. Es soll untersucht werden, ob der Legierungseinfluss über die Grenzflächenenergie oder die Grenzflächenmobilität ausgeübt wird. Die experimentellen Arbeiten umfassen detaillierte metallographische Untersuchungen (SEM-FIB, Mikrosondenmessungen) und die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des erstarrenden dendritischen Netzwerkes anhand von Gleeble-Versuchen.

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