Ressourceneffiziente Gussteilauslegung in Sandformen durch die gezielte Einbringung von Wasserstoffporen und die Steigerung des Recyclinganteils
Projektdurchführung
IDECO GmbH
Im Fisserhook 3 - 5
46395 Bocholt
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Die Herstellung von Aluminiumgussteilen aus Primärlegierungen ist mit einem hohen Material- und Energieeinsatz sowie entsprechenden CO₂-Emissionen verbunden. Gleichzeitig erfordern zunehmend komplexe Gussteilgeometrien größere Gieß- und Speisersysteme, was die Materialeffizienz verringert und die Ausschussrate erhöht.
Ziel des Projekts ReGuSand war die Entwicklung eines ressourceneffizienten Ansatzes für den AluminiumSandguss durch gezielte Porositätsgestaltung und einen erhöhten Recyclinganteil. Hierzu wurde untersucht, wie durch kontrollierte Wasserstoffeinbringung und oxidische Keimbildner kritische Schwindungsdefekte in fein verteilte Poren überführt werden können. Dadurch sollen Speiservolumen reduziert, die Ausbringung erhöht und der Energieverbrauch gesenkt werden.
Gleichzeitig wurde der Einfluss erhöhter Recyclinganteile untersucht, um den Einsatz von Sekundäraluminium zu steigern und damit den Bedarf an Primäraluminium sowie die produktspezifischen CO₂-Emissionen zu reduzieren. Das übergeordnete Ziel war die Schaffung der wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für nachhaltigere Aluminiumgussprozesse mit geringerem Materialverbrauch und reduziertem CO₂-Ausstoß.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Das Projekt ist in mehrere Arbeitspakete gegliedert, die auf die Entwicklung eines Ansatzes zum gezielten Porositätsdesign für ressourceneffiziente Aluminium-Sandgussteile ausgerichtet sind. Zunächst wurde ein industrielles Referenzbauteil der Ohm & Häner Metallwerk GmbH & Co. KG hinsichtlich der Porenverteilung, der mechanischen Eigenschaften, des Recyclinganteils sowie der CO₂-Emissionen analysiert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden geeignete Laborprüfgeometrien entwickelt und mithilfe von Gießsimulationssoftware optimiert, um schwindungsdominierte Porosität gezielt zu erzeugen und diese untersuchen zu können.
Anschließend wurden verschiedene oxidische Keimbildner sowie unterschiedliche Wasserstoffgehalte in der Primäraluminiumlegierung A356 systematisch untersucht, um deren Einfluss auf die Porenbildung und die mechanischen Eigenschaften zu bewerten. Darüber hinaus wurde der Recyclinganteil der A356-Legierung in Form von Begleitelementen schrittweise erhöht, um die Wechselwirkungen zwischen Recyclingmaterial, Porositätsbildung und mechanischer Eigenschaften zu analysieren.
Die resultierenden Porositätsprofile und mechanischen Eigenschaften wurden durch metallographische
Untersuchungen, bildbasierte Porositätsanalysen sowie Zugversuche charakterisiert. Dadurch konnten Zusammenhänge zwischen Poreneigenschaften wie Größe, Morphologie und Verteilung sowie den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften aufgezeigt werden.
Ergebnisse und Diskussion
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Porosität in Aluminium-Sandgussteilen durch die Kombination aus oxidischen Keimbildnern und einer kontrollierten Wasserstoffeinbringung gezielt steuern lässt. Micro100 erwies sich dabei als wirksamster Keimbildner, da durch die Zugabe nanoskalige Aluminiumoxidpartikel entstehen, die als heterogene Keimbildungsstellen wirken. Dadurch konnte ein Übergang von großen, schwindungsdominierten Defekten zu einer feineren und homogener verteilten Porenstruktur erreicht werden. Mit zunehmendem Micro100-Gehalt steigt die Anzahl der Poren, während deren Größe und Kritikalität abnehmen. Eine optimale Zugabemenge von 2 bis 3 g/kg führte zu einer ausgewogenen Porenstruktur mit feiner und gleichmäßiger Verteilung.
Der Wasserstoffgehalt wurde als zentraler Parameter für die Porenmorphologie und Porenverteilung identifiziert. Bei niedrigen Wasserstoffgehalten dominierten große und unregelmäßige Schwindungsdefekte. Bei einem Wasserstoffgehalt von etwa 0,25 ml/100 g Al wurde eine optimale Porenstruktur erreicht, die durch kleine, gleichmäßig verteilte und überwiegend kugelförmige Poren gekennzeichnet ist. Dies führte zu verbesserten und gleichzeitig reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften. Bei höheren Wasserstoffgehalten nahm hingegen das Porenwachstum zu, wodurch Porengröße und Porendichte anstiegen und die mechanische Leistungsfähigkeit wieder abnahm.
Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass ein moderater Recyclinganteil (Fe: 0.3 wt.%, Mn: 0.1 wt.%, Cu: 0.01 wt.%) zu einem Porositätsprofil führt, das mit dem der Referenzlegierung mit geringerem Recyclinganteil (Fe: 0.1 wt.%) vergleichbar ist. Höhere Recyclinganteile (Fe: 0.3 wt.%, Mn: 0.1 wt.%, Cu: 0.1 wt.%) erhöhen hingegen die Empfindlichkeit gegenüber Porositätsbildung und verringern die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften. Zusätzlich zu den technologischen Vorteilen zeigte das Projekt ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Ressourceneffizienz. Bei einer Übertragung der identifizierten optimalen Prozessbedingungen auf das industrielles Referenzbauteil der Ohm & Häner Metallwerk GmbH & Co. KG kann eine Speiserreduktion von etwa 50 % pro Gießbauteil erreicht werden. Dies führt zu einem geringeren Materialverbrauch, einem reduzierten Energiebedarf beim Einschmelzen sowie potenziell niedrigeren Ausschussraten. Die daraus resultierende Reduktion des Gesamtgießgewichts sowie der CO₂Emissionen betragen jeweils 9,3 % gegenüber dem aktuellen Referenzzustand.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Während des gesamten Projekts wurden die Ergebnisse regelmäßig den am Projekt beteiligten Industriepartnern vorgestellt und mit ihnen diskutiert. Dieser kontinuierliche Austausch förderte ein gemeinsames Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen und unterstützte den direkten Transfer der gewonnenen Erkenntnisse in die industrielle Praxis. Vorhandene Informationsquellen, wie Zwischenberichte und Präsentationen, die den Projektpartnern regelmäßig zur Verfügung gestellt wurden, dienen als wertvolle Referenzen für weiterführende und detailliertere Informationen.
Eine weitere Unterstützung der industriellen Umsetzung erfolgt durch fortlaufende Wissenstransferaktivitäten sowie durch derzeit in Vorbereitung befindliche Folgevorhaben. Zusätzliche Maßnahmen zur Verbreitung der Projektergebnisse, insbesondere die Integration der Ergebnisse in die akademische Lehre, die Betreuung von studentischen Abschlussarbeiten sowie Veröffentlichungen in gießereitechnischen Fachzeitschriften und Magazinen, wurden bereits während der Projektlaufzeit begonnen und werden auch künftig fortgeführt.
Fazit
Das Projekt „ReGuSand“ hat gezeigt, dass das gezielte Porositätsdesign ein vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Ressourceneffizienz sowie zur Verbesserung der Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit von Aluminium-Sandgussteilen ist. Durch die gezielte Einstellung des Wasserstoffgehalts und die Zugabe von Keimbildnern können Porenstruktur und mechanische Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Dabei konnten große Schwindungsdefekte erfolgreich in eine feine und gleichmäßig verteilte Porenstruktur überführt werden, was zu stabileren und besser vorhersagbaren mechanischen Eigenschaften führt.
Gleichzeitig eröffnet der Ansatz die Möglichkeit, das Speiservolumen zu reduzieren und den Einsatz von Recyclingaluminium zu erhöhen. Eine Verringerung der Speisermasse kann den Materialverbrauch senken, die Ausbringung erhöhen und den Energiebedarf beim Einschmelzen und Verarbeiten reduzieren. Insgesamt verdeutlichen die Projektergebnisse das Potenzial des gezielten Porositätsdesigns, Material- und Energieeinsatz zu reduzieren, CO₂-Emissionen zu senken und den verstärkten Einsatz von Recyclingaluminium zu ermöglichen. Damit leistet der Ansatz einen wichtigen Beitrag zu nachhaltigeren und ressourceneffizienteren Gießprozessen.