Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Herstellung von Aluminiumgussteilen aus Prim\u00e4rlegierungen ist mit einem hohen Material- und Energieeinsatz sowie entsprechenden CO\u2082-Emissionen verbunden. Gleichzeitig erfordern zunehmend komplexe Gussteilgeometrien gr\u00f6\u00dfere Gie\u00df- und Speisersysteme, was die Materialeffizienz verringert und die Ausschussrate erh\u00f6ht.
\nZiel des Projekts ReGuSand war die Entwicklung eines ressourceneffizienten Ansatzes f\u00fcr den AluminiumSandguss durch gezielte Porosit\u00e4tsgestaltung und einen erh\u00f6hten Recyclinganteil. Hierzu wurde untersucht, wie durch kontrollierte Wasserstoffeinbringung und oxidische Keimbildner kritische Schwindungsdefekte in fein verteilte Poren \u00fcberf\u00fchrt werden k\u00f6nnen. Dadurch sollen Speiservolumen reduziert, die Ausbringung erh\u00f6ht und der Energieverbrauch gesenkt werden.
\nGleichzeitig wurde der Einfluss erh\u00f6hter Recyclinganteile untersucht, um den Einsatz von Sekund\u00e4raluminium zu steigern und damit den Bedarf an Prim\u00e4raluminium sowie die produktspezifischen CO\u2082-Emissionen zu reduzieren. Das \u00fcbergeordnete Ziel war die Schaffung der wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen f\u00fcr nachhaltigere Aluminiumgussprozesse mit geringerem Materialverbrauch und reduziertem CO\u2082-Aussto\u00df. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden<\/p>\n
Das Projekt ist in mehrere Arbeitspakete gegliedert, die auf die Entwicklung eines Ansatzes zum gezielten Porosit\u00e4tsdesign f\u00fcr ressourceneffiziente Aluminium-Sandgussteile ausgerichtet sind. Zun\u00e4chst wurde ein industrielles Referenzbauteil der Ohm & H\u00e4ner Metallwerk GmbH & Co. KG hinsichtlich der Porenverteilung, der mechanischen Eigenschaften, des Recyclinganteils sowie der CO\u2082-Emissionen analysiert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden geeignete Laborpr\u00fcfgeometrien entwickelt und mithilfe von Gie\u00dfsimulationssoftware optimiert, um schwindungsdominierte Porosit\u00e4t gezielt zu erzeugen und diese untersuchen zu k\u00f6nnen.
\nAnschlie\u00dfend wurden verschiedene oxidische Keimbildner sowie unterschiedliche Wasserstoffgehalte in der Prim\u00e4raluminiumlegierung A356 systematisch untersucht, um deren Einfluss auf die Porenbildung und die mechanischen Eigenschaften zu bewerten. Dar\u00fcber hinaus wurde der Recyclinganteil der A356-Legierung in Form von Begleitelementen schrittweise erh\u00f6ht, um die Wechselwirkungen zwischen Recyclingmaterial, Porosit\u00e4tsbildung und mechanischer Eigenschaften zu analysieren.
\nDie resultierenden Porosit\u00e4tsprofile und mechanischen Eigenschaften wurden durch metallographische
\nUntersuchungen, bildbasierte Porosit\u00e4tsanalysen sowie Zugversuche charakterisiert. Dadurch konnten Zusammenh\u00e4nge zwischen Poreneigenschaften wie Gr\u00f6\u00dfe, Morphologie und Verteilung sowie den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften aufgezeigt werden. <\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Porosit\u00e4t in Aluminium-Sandgussteilen durch die Kombination aus oxidischen Keimbildnern und einer kontrollierten Wasserstoffeinbringung gezielt steuern l\u00e4sst. Micro100 erwies sich dabei als wirksamster Keimbildner, da durch die Zugabe nanoskalige Aluminiumoxidpartikel entstehen, die als heterogene Keimbildungsstellen wirken. Dadurch konnte ein \u00dcbergang von gro\u00dfen, schwindungsdominierten Defekten zu einer feineren und homogener verteilten Porenstruktur erreicht werden. Mit zunehmendem Micro100-Gehalt steigt die Anzahl der Poren, w\u00e4hrend deren Gr\u00f6\u00dfe und Kritikalit\u00e4t abnehmen. Eine optimale Zugabemenge von 2 bis 3 g\/kg f\u00fchrte zu einer ausgewogenen Porenstruktur mit feiner und gleichm\u00e4\u00dfiger Verteilung.
\nDer Wasserstoffgehalt wurde als zentraler Parameter f\u00fcr die Porenmorphologie und Porenverteilung identifiziert. Bei niedrigen Wasserstoffgehalten dominierten gro\u00dfe und unregelm\u00e4\u00dfige Schwindungsdefekte. Bei einem Wasserstoffgehalt von etwa 0,25 ml\/100 g Al wurde eine optimale Porenstruktur erreicht, die durch kleine, gleichm\u00e4\u00dfig verteilte und \u00fcberwiegend kugelf\u00f6rmige Poren gekennzeichnet ist. Dies f\u00fchrte zu verbesserten und gleichzeitig reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften. Bei h\u00f6heren Wasserstoffgehalten nahm hingegen das Porenwachstum zu, wodurch Porengr\u00f6\u00dfe und Porendichte anstiegen und die mechanische Leistungsf\u00e4higkeit wieder abnahm.
\nDar\u00fcber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass ein moderater Recyclinganteil (Fe: 0.3 wt.%, Mn: 0.1 wt.%, Cu: 0.01 wt.%) zu einem Porosit\u00e4tsprofil f\u00fchrt, das mit dem der Referenzlegierung mit geringerem Recyclinganteil (Fe: 0.1 wt.%) vergleichbar ist. H\u00f6here Recyclinganteile (Fe: 0.3 wt.%, Mn: 0.1 wt.%, Cu: 0.1 wt.%) erh\u00f6hen hingegen die Empfindlichkeit gegen\u00fcber Porosit\u00e4tsbildung und verringern die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften. Zus\u00e4tzlich zu den technologischen Vorteilen zeigte das Projekt ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Ressourceneffizienz. Bei einer \u00dcbertragung der identifizierten optimalen Prozessbedingungen auf das industrielles Referenzbauteil der Ohm & H\u00e4ner Metallwerk GmbH & Co. KG kann eine Speiserreduktion von etwa 50 % pro Gie\u00dfbauteil erreicht werden. Dies f\u00fchrt zu einem geringeren Materialverbrauch, einem reduzierten Energiebedarf beim Einschmelzen sowie potenziell niedrigeren Ausschussraten. Die daraus resultierende Reduktion des Gesamtgie\u00dfgewichts sowie der CO\u2082Emissionen betragen jeweils 9,3 % gegen\u00fcber dem aktuellen Referenzzustand. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
W\u00e4hrend des gesamten Projekts wurden die Ergebnisse regelm\u00e4\u00dfig den am Projekt beteiligten Industriepartnern vorgestellt und mit ihnen diskutiert. Dieser kontinuierliche Austausch f\u00f6rderte ein gemeinsames Verst\u00e4ndnis der zugrunde liegenden Mechanismen und unterst\u00fctzte den direkten Transfer der gewonnenen Erkenntnisse in die industrielle Praxis. Vorhandene Informationsquellen, wie Zwischenberichte und Pr\u00e4sentationen, die den Projektpartnern regelm\u00e4\u00dfig zur Verf\u00fcgung gestellt wurden, dienen als wertvolle Referenzen f\u00fcr weiterf\u00fchrende und detailliertere Informationen.
\nEine weitere Unterst\u00fctzung der industriellen Umsetzung erfolgt durch fortlaufende Wissenstransferaktivit\u00e4ten sowie durch derzeit in Vorbereitung befindliche Folgevorhaben. Zus\u00e4tzliche Ma\u00dfnahmen zur Verbreitung der Projektergebnisse, insbesondere die Integration der Ergebnisse in die akademische Lehre, die Betreuung von studentischen Abschlussarbeiten sowie Ver\u00f6ffentlichungen in gie\u00dfereitechnischen Fachzeitschriften und Magazinen, wurden bereits w\u00e4hrend der Projektlaufzeit begonnen und werden auch k\u00fcnftig fortgef\u00fchrt. <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Projekt \u201eReGuSand\u201c hat gezeigt, dass das gezielte Porosit\u00e4tsdesign ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Ressourceneffizienz sowie zur Verbesserung der Nachhaltigkeit und Leistungsf\u00e4higkeit von Aluminium-Sandgussteilen ist. Durch die gezielte Einstellung des Wasserstoffgehalts und die Zugabe von Keimbildnern k\u00f6nnen Porenstruktur und mechanische Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Dabei konnten gro\u00dfe Schwindungsdefekte erfolgreich in eine feine und gleichm\u00e4\u00dfig verteilte Porenstruktur \u00fcberf\u00fchrt werden, was zu stabileren und besser vorhersagbaren mechanischen Eigenschaften f\u00fchrt.
\nGleichzeitig er\u00f6ffnet der Ansatz die M\u00f6glichkeit, das Speiservolumen zu reduzieren und den Einsatz von Recyclingaluminium zu erh\u00f6hen. Eine Verringerung der Speisermasse kann den Materialverbrauch senken, die Ausbringung erh\u00f6hen und den Energiebedarf beim Einschmelzen und Verarbeiten reduzieren. Insgesamt verdeutlichen die Projektergebnisse das Potenzial des gezielten Porosit\u00e4tsdesigns, Material- und Energieeinsatz zu reduzieren, CO\u2082-Emissionen zu senken und den verst\u00e4rkten Einsatz von Recyclingaluminium zu erm\u00f6glichen. Damit leistet der Ansatz einen wichtigen Beitrag zu nachhaltigeren und ressourceneffizienteren Gie\u00dfprozessen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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