Squeeze Casting: Effiziente Lösung für anspruchsvolle Gussteile
Das Squeeze-Casting-Verfahren (Pressgießen) bietet ein signifikantes Potenzial zur Herstellung hochbelastbarer Aluminiumgussteile mit minimierter Porosität und gesteigerter Gefügedichte. Besonders bei geometrisch komplexen Komponenten oder in Verbindung mit nachgelagerten Umformoperationen bildet das Verfahren eine technologische Brücke zwischen konventionellem Druck- und Niederdruckguss.
Im Rahmen einer industriellen Kooperation mit dem Aluminiumgießer Top Alulit, s.r.o., Tschechische Republik, erfolgte auf Basis eines realen Serienbauteils – eines Zahnriemenspanners für Verbrennungsmotoren – eine simulationsgestützte Prozessentwicklung. Grundlage der Optimierung war der Einsatz von MAGMASOFT®, das bei Top Alulit als integraler Bestandteil der methodischen Prozessentwicklung in Forschung und Entwicklung etabliert ist.
Squeeze Casting – Kombination der Vorteile von Druck- und Niederdruckguss
Das Squeeze-Casting-Verfahren kommt zum Einsatz, wenn konventionelle Druckgussverfahren die geforderten werkstoffmechanischen Eigenschaften nicht zuverlässig sicherstellen können. Dieses hybride Gießverfahren vereint die turbulenzarme, gleichmäßige Formfüllung und die Maschinenkonfiguration des Niederdruckgusses mit der hohen Maßhaltigkeit filigraner Strukturen, den kurzen Zykluszeiten und der variablen Druckkurvensteuerung des Druckgusses. Die vertikale Maschinenstruktur in Verbindung mit der horizontalen Trennebene reduziert systematisch die Gussfehlerquoten und steigert die Ausbringung, während die Integration in automatisierte Fertigungszellen die Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität der Prozessführung sicherstellt.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt in der gerichteten Erstarrung unter Druck, durch die metallurgische Defekte wie Gasporositäten und Lunker signifikant reduziert werden. Dies führt sowohl zu einer erhöhten Gefügehomogenität als auch zu einer statistisch abgesicherten Reproduzierbarkeit mechanischer Kennwerte – beides kritische Voraussetzungen für die Qualitätssicherung bei der Serienfertigung. Darüber hinaus bildet das Verfahren eine strukturmechanisch belastbare Ausgangsbasis für nachgelagerte Umformprozesse. Die hohe Prozessstabilität trägt zugleich zu einer nachhaltigen Senkung stückzahlbezogener Herstellkosten bei.
Praxisbeispiel: Optimierung eines Zahnriemenspanners aus einer Al-Si-Legierung
Im Rahmen eines Entwicklungsprojekts produzierte Top Alulit einen Zahnriemenspanner aus einer hochfesten Aluminium-Silizium-Gusslegierung. Ziel war die Bewertung der Herstellbarkeit im Pressgießverfahren unter den Aspekten Prozesseffizienz, Reproduzierbarkeit und werkstofftechnischer Integrität – insbesondere im Hinblick auf die nachgelagerte Kaltumformung.
Die zentrale Herausforderung bestand darin, eine hinreichende Duktilität und zugleich eine hohe Gussqualität sicherzustellen. Prozessbedingte Inhomogenitäten – vor allem Lufteinschlüsse in mechanisch hochbeanspruchten Funktionsbereichen – mussten gezielt vermieden werden, da sie die Umformfähigkeit und die Betriebszuverlässigkeit des Bauteils unmittelbar beeinträchtigen.
Ausgangspunkt der Analyse war ein bestehendes Bauteildesign (Bild 1) mit initial ausgelegter Druckgießtechnologie. Unter Verwendung realer Prozessparameter wurde eine numerische Gießprozesssimulation mit MAGMASOFT® durchgeführt. Die Ergebnisse identifizierten potenzielle Lunkerbildung und eingeschlossene Luftblasen im zentralen Funktionsbereich des Bauteils (Bild 2, links) – ein Bereich, der im anschließenden Kaltumformprozess signifikant beansprucht wird.
Das 'Hot Spot'-Ergebnis (Bild 2, rechts) wies ein Wärmezentrum in massiven Querschnittsregionen auf, die typischerweise eine Porositätsbildung begünstigen. Während das Speisungsrisiko in diesem massiven Bereich aufgrund des Nachdruckes als beherrschbar eingestuft wurde, bestätigten Validierungstests, dass die eingeschlossene Luft beim anschließenden Kaltumformen zu irreparablen Rissstrukturen führte.
Damit war eine Optimierung der Gießtechnologie zwingend erforderlich.
Systematische Optimierung des Entlüftungs- und Anschnittsystems
Basierend auf den Simulationsergebnissen wurde das Anschnittsystem gezielt überarbeitet, um die Entstehung turbulenzinduzierter Lufteinschlüsse zu minimieren. Dabei wurde insbesondere die Formfüllkinematik hinsichtlich eines laminaren Strömungsverhaltens optimiert.
Ein konventionelles Entlüftungssystem konnte aufgrund geometrischer Restriktionen im Formaufbau nicht realisiert werden. Daher wurde ein innovatives Konzept entworfen: ein strahlenförmig orientiertes Überlauflabyrinth, welches Lufteinschlüsse gezielt in periphere Zonen abführt – ohne die funktionale Integrität des Bauteils zu beeinträchtigen.
Zur weiteren Optimierung wurden mehrere Varianten dieses Überlaufkonzeptes entwickelt und simuliert (Bild 3). Die Konfigurationen unterschieden sich in der Anzahl und Anordnung der „Speichen“ sowie durch modifizierende Geometrien im inneren Radius des Bauteils. Ergänzend wurde das Anschnittlayout angepasst, um mögliche Turbulenzen weiter zu reduzieren.
Design of Experiments (DoE) und virtuelle Prozessbewertung
Zur systematischen Bewertung der Varianten wurde eine virtuelle Versuchsplanung (Design of Experiments) aufgesetzt. Dabei wurden verschiedene Kombinationen von Anschnitt- und Überlaufkonfigurationen variiert und anhand quantitativer Kennwerte aus MAGMASOFT® bewertet. Im Fokus stand die Reduktion des spezifischen Lufteinschlussvolumens in den vordefinierten kritischen Funktionsbereichen. Mit Hilfe von Parallelkoordinatendiagrammen konnten die maßgeblichen Einflussgrößen isoliert und geeignete Toleranzgrenzen für prozesssichere Designs definiert werden (Bild 4).
Die Analyse identifizierte zwei signifikante Geometrievarianten: ein Überlaufdesign mit drei Speichen sowie eine komplexere 6-Speichen-Variante mit zentralem Konvergenzpunkt und zusätzlichem Materialfortsatz. Beide führten zu einer deutlichen Reduktion lufteinschlussbedingter Defekte (Bild 5). Die 6-Speichen-Variante erwies sich in der Prozessbewertung als die robusteste Lösung und wurde für die Serienfertigung übernommen. Durch die Implementierung des optimierten Gießsystems konnte die Rissanfälligkeit im nachgelagerten Kaltumformprozess signifikant reduziert werden. Gleichzeitig verbesserte sich die Reproduzierbarkeit der mechanischen Kennwerte, und die Ausschussrate wurde nachhaltig gesenkt – ohne dass zu-sätzliche Fertigungskosten entstanden. Die Wirksamkeit der Optimierungsmaßnahmen wurde durch zerstörungsfreie Prüfungen sowie experimentelle Umformversuche validiert und bestätigte die in der Simulation prognostizierten Verbesserungen.
Fazit und wirtschaftlicher Mehrwert
Das Projekt verdeutlicht, dass die Kombination aus Squeeze Casting und simulationsgestützter Prozessentwicklung eine belastbare Grundlage für die Herstellung anspruchsvoller Aluminiumbauteile bietet. Mit Hilfe von MAGMASOFT® konnten kritische Prozessfenster zuverlässig identifiziert, das Gießsystem gezielt optimiert und die Prozessstabilität nachhaltig erhöht werden.
Für Top Alulit bedeutet dies nicht nur eine gesteigerte werkstoffliche und prozesstechnische Reife des Bauteils, sondern auch einen direkten, messbaren Mehrwert für den Endkunden durch größere Betriebssicherheit, höhere Bauteilqualität und reduzierte Ausschussraten.
Die Fallstudie unterstreicht damit das Innovationspotenzial simulationsgestützter Methoden als strategisches Werkzeug der modernen Gießereitechnik und bestätigt ihren Stellenwert für die wissensbasierte Prozessführung und die industrielle Serienfertigung.
