Hybrid- und Verbundguss

Das Themenfeld »Hybridguss« beschäftigt sich mit neuartigen Verbindungstechnologien unter Verwendung von Gussbauteilen. Dabei werden direkt integrierte metallische Strukturen oder auch Kunststoffe oder Faserstrukturen zur Realisierung einer Multimaterialbauweise genutzt. Direkt im Gießprozess der Metallkomponente wird die Möglichkeit zum Materialverbund gegeben. Dadurch lassen sich innovative Bauteile unter Einsparung von Fertigungsschritten realisieren, die diverse Vorteile mit sich bringen.

Vorteile der Hybrid- und Verbundgusstechnologie

Diese Vorteile der mit Gießverfahren hergestellten Hybridgussteile liegen vor allem in der Verkürzung der Prozessroute im Vergleich zu sequenziellen Herstellungsprozessen. Bei diesen ist eine Aneinanderreihung vieler Prozessschritte notwendig, um Hybridbauteile zu fertigen. Damit sind die hybriden Gussbauteile nicht nur entsprechend ihrer Anforderungen optimal ausgelegt, sondern auch noch kostengünstiger als differentielle hybride Baugruppen.

Einen besonderen Stellenwert nimmt dabei aktuell der Verbundguss aus Aluminiumguss in Kombination mit Aluminiumhalbzeugen ein. Neben den o.g. Vorteilen bestehen hierbei zusätzliche Vorteile durch die Verwendung des gleichen Materialsystems; z.B. ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten oder ein späteres sortenreines Recycling im Sinne einer Circular Economy.

Die Vorteile im Überblick:

• Leichtbauoptimiert
• Kurze Prozessroute
• Kleiner Bauraum
• Verschiedenste Materialkombinationen möglich
• Reduzierung von Maschinen- und Werkzeuggrößen möglich gegenüber reiner Gussbauweise

Durch die Kombination mit den vorhandenen Kompetenzen im Bereich der Simulation können für diese neuartigen Multimaterialsysteme parallel zur Entwicklung direkt Simulationsmodelle und Grenzflächenmodellierungen aufgebaut werden. Dadurch wird eine umfassende Betrachtung dieser neuartigen und zukunftsweisenden Bauweise ermöglicht.

Metall-Metall-Verbundguss für innovative Gussbauteile

Im Leichtbau kommen zunehmend zukunftsweisende Materialverbund-Systeme zum Einsatz. Die klassischen Metalle behalten dabei einen sehr hohen Stellenwert im großserientauglichen Leichtbau; dabei bleibt die Motivation eines belastungsgerechten Materialeinsatzes unverändert. So können verschiedene Metalle mit ihren individuellen Eigenschaften einen großen Beitrag zum Leichtbau sowie zur Funktionsintegration leisten.

Während klassische Metall-Metall-Verbindungskonzepte einen nachträglichen Fügeprozess durch Schweißen, Kleben oder mechanisches Fügen vorsehen, können die Metall-Metall-Verbundgusskonzepte für verschiedene Anwendungsfälle direkt im Gießprozess einer Aluminiumkomponente realisiert werden. So lassen sich hochintegrierte, komplexe Multimaterialbauteile unter Einsparung von Fertigungsschritten umsetzen.

Aktuelle Herausforderungen am Markt betreffen beispielsweise die Integration von Kühlkanälen in Gussbauteile, die durch im Gussbauteil integrierte Hohlkörper aus z.B. Aluminium oder Kupfer realisiert werden. Verschiedene Gießverfahren besitzen hierbei verschiedene Herausforderungen hinsichtlich der Positionierung, der Anbindung oder der Stabilität während des Gießprozesses.

Auch die Integration von metallischen Profil- oder Blechstrukturen an Gussknotenelemente ist als aktueller Trend zu sehen, um eine alternative Fertigungsroute für hochintegrierte Großgussstrukturen (vgl. „Giga casting“) im Fahrzeugbau zu realisieren.

Für diese Fragestellungen verfügen die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IFAM sowohl über umfangreiche Erfahrungen, als auch über die passende Anlagentechnik, um seriennah Entwicklungsprojekte mit Ihnen umsetzen zu können.

CFK-Aluminium-Hybridguss für den Leichtbau

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) besitzen durch ihre hohen Festigkeits- und Steifigkeitswerte nach wie vor ein sehr hohes Leichtbaupotential. Ein großflächiger Einsatz ist jedoch aufgrund der Kostenstruktur des Materials häufig nicht wirtschaftlich umsetzbar möglich. Daher stellen Verbindungen aus FVK und Metallen eine interessante Alternative dar – auch hier kann der Hybridguss die passende Lösung sein und vereint die Vorteile von metallischen Anteilen mit denen der faserverstärkten Kunststoffe. Das Fraunhofer IFAM ist in der Lage, sowohl einzelne Faserstrukturen, als auch Faserverbundbauteile im Gießprozess miteinander zu verbinden und so eine Multimaterialbauweise zu realisieren.

Integration additiv gefertigter Metallstrukturen in Gussbauteile

Ein aktuelles Forschungsfeld des Fraunhofer IFAM befasst sich mit der lokalen Integration additiv gefertigter Metallstrukturen in gegossene Bauteile. Dabei liegt der Fokus auf mehrschichtig funktionalisierten SLM-Metall-Strukturen, die im Gießprozess lokal in das Gussbauteil eingebunden werden. Ziel der Technologieentwicklung ist einerseits die Kombination der Vorteile der metallischen additiven Fertigung mit hohem Komplexitätsgrad und des wirtschaftlichen Metallgießprozesses. Andererseits können über diese Kombination verfahrensbedingte Einschränkungen der Prozesse, wie geometrische Freiheitsgrade oder abbildbare Bauteilgrößen, eliminiert werden.

Infiltration poröser Werkstoffe: Metall-Graphit-Verbunde

Bei Gleitlageranwendungen sind aufgrund geforderter Leistungs- und Effizienzsteigerungen bspw. in Form steigender Drehzahlen höhere Betriebs- und Notlauftemperaturen zu gewährleisten. Gleitlager bestehen derzeit unter anderem aus Polyimid, ein polymerer Werkstoff, der zwar bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann, jedoch während der Nutzungsdauer degradiert und daher keine ausreichende Zuverlässigkeit bietet.

Zur Verlängerung der Standzeiten von Gleitlagerungen wie z.B. in Flugzeugtriebwerken sind deshalb zukünftig neuartige, temperaturstabile Werkstoffe erforderlich. Diese können zum Beispiel durch gießtechnisch hergestellte Metall-Graphit-Verbundwerkstoffe realisiert werden, bei denen ein Graphithalbzeug mit flüssigem Metall infiltriert wird und so ein hochtemperaturstabiles und verschleißbeständiges Ausgangsmaterial für die Weiterverarbeitung zu Gleitlagern bereitgestellt werden kann.