Untersuchung des Magnesium Thixomolding-Verfahrens durch Gießsimulation und Analyse eines anwendungsnahen Prinzipbauteils im Vergleich zu Druckguss

Thixomolding ist ein innovatives Verfahren zur Verarbeitung von Magnesiumlegierungen, das bisher vor allem im asiatischen Raum Verbreitung gefunden hat. Der Hauptunterschied zum Druckgießen besteht in der vom Kunstoffspritzgießen her bekannten Maschinentechnik. Dadurch ist eine sichere und umweltfreundliche Verarbeitung von Magnesium in einem einstufigen Prozess möglich. Die verfügbare Technik ermöglicht es vor allem Teile aus der Magnesiumlegierung AZ91, aber auch Strukturteile aus z. B. AM60 herzustellen.I m Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ausschnitt eines existierenden Druckguss-Strukturteiles als Demonstrator bei einem asiatischen Thixomolder hergestellt. Es zeigte sich, dass die gegebene Geometrie bei Verwendung der Legierung AM60 aus prozesstechnischen Gründen mit geringem Feststoffanteil hergestellt werden mußte. Dazu wurde die Legierung AM60 im Bereich der Liquidus­ Temperatur verarbeitet, so dass das spanförmige Aufgabegut nahezu vollständig aufgeschmolzen war. Diese Form des Thixomolding wird als MetalIspritzgießen bezeichnet, da die Schmelze im aufgeschmolzenen Zustand keine thixotropen Eigenschaften mehr besitzt. Es konnte nachgewiesen werden, dass im direkten Vergleich zum Druckguss-Bauteil folgende Eigenschaften verbessert sind: eine reduzierte Schwindungsporosität, eine geringere Schwindung mit weniger Heißrissen, geringerer Verzug und höhere Maßhaltigkeit.Die Stärken des Thixomolding-Prozesses konnten auch in der Simulation dargestellt werden. Dazu wurde ein auf finiten Elementen basierendes Programm zur Gieß-Simulation verwendet. Die Simulationsergebnisse zeigten die genaue Lage und Größe der Schwindungsporosität und entsprachen der Porositätsverteilung am Bauteil. In der Eigenspannungs- und Verzugssimulation konnten der Bauteilverzug und sogar sich bildende EinfallsteIlen dargestellt werden, die einem Vergleich mit den am realen Bauteil gemessenen Werten standhielten. Der prinzipielle Verlauf der Füllfront beim Thixomolding mit geringem Feststoff-Anteil wurde simulationstechnisch dargestellt und zeigte eine gute Übereinstimmung mit teilgefüllten Bauteilen.Die Bauteile wurden an verschiedenen Stellen analysiert und damit die lokal unterschiedlichen Eigenschaften aufgezeigt. Die Auswertungen zeigen eine deutliche Korrelation zwischen den Gefugeschliffen, Dichtemessungen und den Kennwerten des Zugversuchs.Für beide Verfahren führt eine Reduzierung der Porosität zu höheren Kennwerten fur die Dehnung. Im Gefügeschliff zeigten die AM60-Thixomolding-Teile ein homogeneres Gefüge als die Druckguss­ Teile. In Angussnähe ist das Gefüge sehr homogen und nahezu porenfrei. Die nach dem archimedischen Prinzip gemessene Porosität ist beim Thixomolding an allen untersuchten Stellen geringer als beim Druckgießen. Im Zugversuch wurden die Zugefestigkeit und die Dehnungskennwerte für beide Verfahren ermittelt und gegenübergestellt.Der Demonstrator wurde ferner in der Legierung AZ91 hergestellt. In dieser Variante wurde der Prozeß mit unterschiedlichen Einspritztemperaturen des Fest-flüßig-Schlickers gefahren. Somit konnten Demonstratoren mit unterschiedlichen Feststoffanteilen hergestellt, und der Einfluß des Feststoffanteils untersucht werden. Mit zunehmendem Feststoffanteil nimmt die Porosität der Bauteile, vor allem bei höheren Wandstärken (4mm) ab.Abschließend wurde eine Kostenbetrachtung am Beispiel des Demonstrators angestellt. Den höchsten Bauteil-Kostenanteilliefem bei beiden Verfahren die Metallkosten. Den höheren Kosten für das Aufgabegut beim Thixomolding stehen die Schmelzkosten, die beim Druckgießen anfallen, gegenüber. Die wesentlichen Unterschiede liegen in den Kapitalkosten und in den Aufwendungen für die Instandhaltung der Maschine. Mit einer zunehmenden Verfugbarkeit der Thixomolding-Maschinen durch die Weiterentwicklung der Technologie ist zu rechnen. Die Kapitalkosten des Thixomolding sind abhängig vom Dollar - Euro Wechselkurs, auf grund der in Dollar aufzuwendenden Investition und Lizenzgebühren.