FRAUNHOFER - IN S T I T U T F Ü R FER T IgUN G S T E C HNI K UND AN G EWAND T E MAT ERIA L FOR S C HUN G IFAM

GieSSereitechnologie Innovative Wege zu intelligenten Bauteilen

I n h a lt GieSSereitechnologie

3

F u n kt i o n s i n t e g r i e r t e G u ssBAUt e i l e

5

G u ss b a u t e i l e m i t k o m p l e x e n G e o m e t r i e n

7

G i e ss e r e i t e c h n o l o g i sc h e E n t w i ckl u n g

9

U n s e r A n g e b o t | AU S S T A T T UN G

10

wir verstehen werkstoffe

D i e F r a u n h o f e r - G e s e llsc h a f t

und gießtechnologischen Verfahren wird daran gearbeitet, die Funktionsdichte in Bauteilen zu steigern. Unser Angebot um-

Forschen und entwickeln für die Praxis ist die zentrale Aufgabe

fasst neben der Auslegung der Bauteile und der Simulation der

der Fraunhofer-Gesellschaft. Die 1949 gegründete Forschungs-

Formgebungsprozesse die fertigungstechnische Umsetzung

organisation betreibt anwendungsorientierte Forschung zum

und die zugehörige Schulung des Personals der Unternehmen.

Nutzen der Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungs-

Im Themenfeld Funktionswerkstoffe stehen Entwicklungen

unternehmen sowie die öffentliche Hand. Die Fraunhofer-

zur Verbesserung bzw. Erweiterung von Materialeigenschaften

Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit 60 Institute mit

und der Verarbeitung der Werkstoffe im Mittelpunkt. Die

über 17 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, überwiegend

Funktionswerkstoffe können sowohl im Fertigungsprozess

mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung.

direkt in das Bauteil integriert als auch durch Druck- oder Sputterprozesse auf Oberflächen appliziert werden. Sie verleihen dem Bauteil zusätzliche oder ganz neue Eigenschaften, wie

Formgebung und

beispielsweise elektronische oder sensorische Funktionen.

F u n kt i o n sWER K S T OFFE

Auch die spezifischen Eigenschaften zellularer Werkstoffe werden genutzt, um verschiedenste Funktionen in Anwendungen im

Der Institutsteil Formgebung und Funktionswerkstoffe des

Bereich der Energieabsorption, der Schallabsorption oder des

Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte

Wärme- und Stofftransports zu realisieren. Einen weiteren

Materialforschung IFAM konzentriert sich an den Standorten

Forschungsschwerpunkt bilden Biomaterialien aus Metall,

Bremen und Dresden auf maßgeschneiderte Werkstofflösungen

Keramik oder Polymeren und deren biologische Wechselwirkung

mit optimierten Fertigungsverfahren und Prozessen.

mit ihrer Umgebung.

Das Spektrum der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten reicht vom Werkstoff über Formgebung bis hin zur Funktionalisierung

Basierend auf diesen beiden Themenfeldern wird als neues

von Bauteilen und Systemen. Wir erarbeiten kundenspezifische

Anwendungsfeld die Elektromobilität, insbesondere mit den

Lösungen, die von so unterschiedlichen Branchen wie der

Bereichen Energiespeicher und elektrische Antriebstechnik,

Automobilindustrie, der Medizintechnik, der Luft- und Raum-

bearbeitet. Prüfen, Testen, Bewerten und Optimieren des

fahrt, dem Maschinen- und Anlagenbau, der Umwelt- und

Gesamtsystems stehen im Fokus der Arbeiten.

Energietechnik oder der Elektronikindustrie nachgefragt werden. Im Themenfeld Formgebung stehen Entwicklungen zur wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Fertigung von immer

© Fraunhofer - Institut für Fertigungstechnik und

komplexer werdenden, teilweise miniaturisierten, Präzisions-

Angewandte Materialforschung IFAM

bauteilen im Fokus des Interesses. Mit modernsten pulver-

Formgebung und Funktionswerkstoffe

2

GieSSereitechnologie Innovative Wege zu intelligenten Bauteilen

Die Abteilung Gießereitechnologie am Fraunhofer IFAM – ein Technologiebereich mit langer Tradition und Anwendungen in allen Industrie- und Lebensbereichen – arbeitet als Forschungspartner in anwendungsbezogenen Projekten. Mit modernsten Gießereieinrichtungen erarbeiten Wissenschaftler und Techniker Lösungen für kundenspezifische Fragestellungen. In international zusammengesetzten Projektteams werden Wissen und Technologien gebündelt, um mit innovativen Produkten auch neue Marktsegmente zu erreichen. Im Fokus der Forschung stehen:

• Funktionsintegrierte Gussbauteile



• Komplexe Gussteile



Integration elektronischer Komponenten während des Gießprozesses Technologieentwicklung zur Herstellung hochkomplexer Geometrien

• Material- und Verfahrensentwicklung



Verbesserung der Materialeigenschaften und gießtechnischer Verfahren hinsichtlich



der Anforderungen der industriellen Fertigung und des Endproduktes.

Alle Phasen der Prozesskette zur Herstellung vom Prototypen bis zur Serie werden betrachtet, optimiert und weiterentwickelt. Im Einzelnen bietet die Abteilung Gießereitechnologie gussgerechte Konzeptionen vom CAD-Entwurf über simulationsgestützte Bauteilauslegung, Auswahl der Fertigungsverfahren bis zur Erprobung der Vorserie und der Serieneinführung. Hierbei werden neue Ansätze verfolgt, die der klassischen Technologie zusätzliche Vorteile durch neue Funktionalitäten verleihen. Bei den Weiterentwicklungen fließen stets die Anforderungen der industriellen Fertigung sowie die Forderungen zur Schonung von Ressourcen ein. Innovative Ansätze erschließen neue Produkt- und Anwendungsfelder für die Gießereitechnolo-

Ansprechpartner:

gie, beispielsweise in den Bereichen Bauteillogistik und –verfolgung oder Elektromobilität. Das

Dipl. - Ing. Franz–Josef Wöstmann

Fraunhofer IFAM entwickelt zukunftsgerichtete Technologielösungen, die noch vor wenigen

Telefon +49 421 2246 -225

Jahren nicht vorstellbar waren.

franz-josef.woestmann @ ifam.fraunhofer.de

3

1

2

Funktionsintegrierte GussBAUteile

Die CA S T T R O N I C S ® - Te c h n o l o g i e e r m ö g l i c h t d a s d irekte Eingießen elektronischer

Großes Bild: Druckgegossene

und ad a p t ro n i s c h e r F u n k t i o n s e l e m e n t e i m D r u c kgussverfahren. Dadurch bieten

Tretkurbel mit integrierten Sensoren

sich im G e g e n s a t z z u k o n v e n t i o n e l l e n G u s s b a u teilen erweiterte elektronische,

und Datenübertragungsmodul.

sensori s c h e o d e r a k t o r i s c h e F u n k t i o n a l i t ä t e n . Bild 1: Röntgenaufnahme der

Die integrierte Elektronik ist nach dem Eingießprozess vor Verschmutzung, Beschädigung oder

funktionsintegrierten Tretkurbel.

Verlust geschützt – sowohl für weitere mechanische Bearbeitungsprozesse am Gussbauteil, bei der Montage als auch im betrieblichen Einsatz. Weiterhin wird eine optimale Anbindung

Bild 2: Druckgussbauteil mit

von Sensor- und Aktorelementen an die Materialstruktur möglich. Durch die gießtechnische

eingegossenem RFID-Transponder

Integration der elektronischen Funktionselemente entfallen zusätzliche Bearbeitungs- sowie

zur Bauteilkennzeichnung und

Fügeprozesse, wodurch Potenziale zur Kostenreduzierung in der Fertigung von Gussbauteilen

zum Plagiatschutz.

mit integrierter Sensorik, Aktorik oder RFID-Technologie entstehen. Anwendungspotenziale der CAST TRONICS®-Technologie liegen beispielsweise in der eindeutigen Kennzeichnung von Gussbauteilen durch integrierte RFID-Transponder (RadiofrequenzIdentifikation), deren Verfolgung in der nachfolgenden Prozesskette (Tracking & Tracing) sowie im Plagiatschutz. Im Bauteil herrschende mechanische Belastungen wie Druck- und Zugkräfte, Verformung oder Schwingungen können mittels gießtechnisch integrierter Piezo-Sensoren direkt am Ort der Wirkung gemessen werden, um vor Überbelastung oder Schädigung des Bauteils zu warnen. Dadurch wird eine Zustandsüberwachung ermöglicht (Structural Health Monitoring) – insbesondere für Sicherheitsbauteile ein entscheidender Vorteil. Das Schwingungsverhalten von Bauteilen sowie deren Akustik kann darüber hinaus durch integrierte Piezo-Aktoren aktiv beeinflusst werden (Structural Health Control). ®

Ansprechpartner CAST TRONICS :

Das Kompetenzfeld Gießereitechnologie am Fraunhofer IFAM unterstützt Sie in der gesamten TRONICS®

Prozesskette zu CAST  www.casttronics.de.

-Technologie. Weiterführende Informationen erhalten Sie unter

Dipl. - Wi. - Ing. Christoph Pille Telefon +49 421 2246 -227 christoph.pille @ ifam.fraunhofer.de

4 | 5

1

2

Gussbauteile mit komplexen geometrien Am Fraunhofer IFAM werden verschiedene Technologien zur Herstellung von Bauteilen mit

Großes Bild: Detailaufnahme eines

komplexen Geometrien entwickelt, die mit herkömmlichen Gießverfahren wegen mangelnder

geometrisch komplexen Bauteils, her-

Entformbarkeit oder anderer Fertigungsrestriktionen gießtechnisch nicht herstellbar sind.

gestellt im Lost Foam Gießverfahren.

Bei der Lost Foam Technologie werden komplexe Bauteile direkt endformnah in einem Stück

Bild 1: Simulation der Umströmung

gegossen. Die Komplexität wird durch das Fügen von Polymerschaumsegmenten zu einem

eines Nonpermanentkerns im

einheitlichen Modell erreicht. Während des Gießprozesses zersetzt die thermische Energie

Druckguss.

der Schmelze den Modellwerkstoff und füllt den entstandenen Formhohlraum detailgetreu aus. Auf diese Weise werden einzigartig komplexe Bauteile mit gewinkelten Kanälen ohne

Bild 2: Spritzgusstechnisch

Ausformschrägen und Grat realisierbar, zu denen das Fraunhofer IFAM Forschungs- und

hergestellter Mikro-Salzkern zur

Entwicklungsdienstleistungen in allen Bereichen der Prozesskette anbietet:

Verwendung im Druckguss.



• Bemusterung von Bauteilen und Modellen



• Zerstörungsfreie Bestimmung der Dichteverteilung von transluzenten Modellen



• Entwicklung alternativer Rohmaterialien zur Modellherstellung



• Messtechnik zur Ermittlung von spezifischen Parametern während der Formfüllung

Im Bereich verlorener Kerne (Nonpermanentkerne) liegt ein weiteres Forschungsgebiet. Bei herkömmlichen Gießverfahren, wie dem Druck-, Kokillen- und Sandguss, lassen sich komplexe Geometrien nur durch den Einsatz von Kernen realisieren. Insbesondere für den Druckguss müssen diese Kerne besondere Anforderungen im Bereich der Stabilität und Druckfestigkeit aufweisen und dennoch auf einfache Weise aus dem gegossenen Bauteil entformt werden können. Salzkerne bieten aufgrund ihrer hohen thermischen und mechanischen Stabilität die Möglichkeit des Einsatzes im Druckgussverfahren, bedürfen jedoch einer individuellen bauteilspezifischen Modifikation. Die Schwerpunkte der Entwicklung liegen dabei in

Ansprechpartner Lost Foam:

folgenden Bereichen:

Dipl. - Ing. (FH) Daniela Schmidt M. Sc. Telefon +49 421 2246 -108



• Salzkernherstellung: Press-, Verdichtungs- und Sintertechniken



• Prüftechnik: Ermittlung der Dichteverteilung



• Fixierungstechnik: Halterungen | Kernmarken

Ansprechpartner verlorene Kerne:



• Gießtechnik: Anpassung der Gießparameter,

Dipl. - Ing. (FH) Marco Haesche M. Sc.



Vermeidung von Strömungsspitzen im Salzkernbereich

• Entkerntechnik und Bauteilnachbehandlung

daniela.schmidt @ ifam.fraunhofer.de

Telefon +49 421 2246 -119 marco.haesche @ ifam.fraunhofer.de

6 | 7

1

2

GieSSereitechnologische Entwicklung Im Kompetenzfeld Gießereitechnologie betreibt das Fraunhofer IFAM darüber hinaus auch

Großes Bild: Schliffbild des Gefüges

Forschung und Entwicklung in den Technologiebereichen:

einer im Lost Foam gegossenen AlLegierung mit ca. 20 µm Dendriten-

Material- und Verfahrensentwicklung

armabstand.

In diesem Zusammenhang werden sowohl gießtechnische Fertigungsverfahren als auch die

Bild 1: Al-infiltrierte Polymermatrix

dabei zur Anwendung kommenden Materialien weiterentwickelt. Insbesondere im Druckguss

und daraus hergestellter offen-

und beim Lost Foam Verfahren liegen die Entwicklungsbereiche vor allem in der Anpassung und

poröser Al-Werkstoff.

Optimierung von Gießprozessen bzw. –parametern, beispielsweise zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften oder in der Reduzierung von Fertigungs-, Guss- und Gefügefehlern.

Bild 2: EPS-Modell eines Ventildeckels zum Abguss im Lost Foam mit

Die Entwicklung von Werkstoffen und Legierungen zur maßgeschneiderten Anpassung an den

eingeblendeter Infrarotabsorptions-

Verwendungszweck sowie die Qualifizierung neuer Legierungen gehören ebenfalls zum

aufnahme zur Dichtebestimmung.

Leistungsspektrum. Es werden zum Beispiel Anpassungen eines Legierungssystems durch Schmelzebehandlungen zur Einstellung mechanischer Kennwerte oder besonderer Verschleißeigenschaften durchgeführt. Außerdem werden Sonderwerkstoffe wie Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe entwickelt bzw. verbessert und so neue Applikationsfelder für gießtechnische Anwendungen und Gussbauteile erschlossen. Numerische Simulation Zu allen Fertigungsverfahren, die am Fraunhofer IFAM behandelt werden, ist die entsprechende soft- und hardwaretechnische Ausstattung vorhanden, um die gesamte Prozesskette vom Entwurf eines Bauteils, der Auslegung, Optimierung, Fertigung bis zur Belastung im Einsatz mit passenden numerischen Simulationsmethoden zu unterstützen. Hierbei wird aktuelle Software verwendet und in Zusammenarbeit mit den Herstellern verbessert und weiterentwickelt. Bauteilanalytik Ansprechpartner Simulation:

Die Abteilung für Materialographie und Analytik am Fraunhofer IFAM bietet vielfältige Möglich-

Dr. Hermann Pleteit

keiten zur Untersuchung von Legierungszusammensetzung, Werkstoffeigenschaften, Bauteil-

Telefon +49 421 2246 -199

und Versagensanalyse sowie zur Oberflächenanalyse, Mikroskopie oder Dichtemessung.

hermann.pleteit @ ifam.fraunhofer.de

8 | 9

1

2

Unser Angebot | Ausstattung Bild 1: Schliffbild eines Glashohl-

Gießereitechnologie

kugel-Aluminium-Verbundwerk-



• Marktanalysen | Machbarkeitsstudien

stoffs (40% Gewichtsreduktion



• Beratung und Entwicklung zur Auslegung komplexer Gussbauteile

gegenüber massivem Al).



(Auswahl des geeigneten Gießverfahrens, Konstruktion, Auslegung, etc.)



• Beratung bei der Materialauswahl oder –entwicklung

Bild 2: Thermografische Aufnahme



• Numerische Simulation der Formfüllung und Erstarrung

einer Versuchsform zur optimierten



Temperierung mit erhöhtem



• Optimierung und Weiterentwicklung von Gießverfahren, –formen und –bauteilen

Wärmeeintrag bzw. –abfuhr.



• Versuchsserien zur Parameterbestimmung | Vorserienentwicklung



• Messinstrumentierung beim Abguss



• Bemusterung von Werkzeugen



• Entwicklung funktionsintegrierter Gussbauteile

sowie des strukturmechanischen Bauteilverhaltens

Gießverfahren | Ausstattung

• Kalt- und Warmkammer-Druckgießmaschinen im Serienmaßstab



• Komplette Lost Foam Prozesskette mit Modellherstellung sowie Sandtechnik



und Abgusseinrichtungen im Industriemaßstab



• Einrichtung für Kokillen- und Sandguss



• Einsatzmöglichkeiten für Aluminium-, Zink-, Magnesium-, Eisen- und Stahllegierungen



• Einrichtung für Wärmebehandlungen

Analytik | Ausstattung

• Schmelzebehandlungseinrichtungen und Schmelzeanalyse



• Röntgendurchleuchtungsanlage zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung



und Computer-Tomographie von Bauteilen



• Materialographie und Werkstoffprüfung



• Messtechnik zur Erfassung von thermophysikalischen Daten



(Temperatur, Wärmeleitfähigkeit, Gasdurchlässigkeit, Zersetzungsenthalpie, etc.)

Numerische Simulation

• Hard- und Software zur numerischen Simulation von Formfüllung,

10

Erstarrung sowie des mechanischen und thermischen Bauteilverhaltens

Kompetenzen Formgebung und Funktionswerkstoffe

w w w. i f a m . f r a u n h o f e r . d e

Fraunhofer - Institut für Fertigungstechnik und

Materialographie und Analytik

Angewandte Materialforschung IFAM

Dr. - Ing. Andrea Berg Telefon +49 421 2246 -146

Institutsleitung

andrea.berg @ ifam.fraunhofer.de

Prof. Dr. - Ing. Matthias Busse

Schadensanalyse; metallografische Schliffuntersuchung;

Telefon +49 421 2246 -100

Pulvermesstechnik; Rasterelektronenmikroskopie mit EDX-

matthias.busse @ ifam.fraunhofer.de

Analyse; Thermische Analyse; Dilatometrie; Spurenanalyse; Emissionsspektrometrie.

Biomaterial-Technologie Prof. Dr. - Ing. Kurosch Rezwan, Dr. - Ing. Philipp Imgrund

Pulvertechnologie

Telefon +49 421 2246 -216

Dr. - Ing. Frank Petzoldt

philipp.imgrund @ ifam.fraunhofer.de

Telefon +49 421 2246 -134

Verarbeitung und Charakterisierung von Biomaterialien;

frank.petzoldt @ ifam.fraunhofer.de

Spritzguss, Extrusion und Mikrostrukturierung von Metallen,

Pulvermetallurgische Formgebung; Metallpulverspritzguss;

Biokeramiken, Polymeren und Nanokompositen.

Prozess- und Materialentwicklung; Rapid Manufacturing; Lasersintern; Siebdruck; Produktionsverfahren für Metall-

Elektrische Systeme

schaumbauteile (FOAMINAL®); Simulation.

Dr. - Ing. Gerald Rausch S ta n d o r t D r e s d e n

Telefon +49 421 2246 -242 gerald.rausch @ ifam.fraunhofer.de Elektromobilität; Elektrofahrzeuge; E-Motoren-Prüfstand bis

Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe

100 kW; Prüfstand für Batterien bis 50 kWh; Fahrzyklen-

Prof. Dr. - Ing. Bernd Kieback

analyse; Reichweitenbestimmung; Systemprüfung elektro-

Telefon +49 351 2537-300

motorischer Antriebsstrang.

Winterbergstraße 28 | 01277 Dresden www.ifam-dd.fraunhofer.de

Funktionsstrukturen Dr. rer. nat. Volker Zöllmer

Zellulare metallische Werkstoffe

Telefon + 49 421 2246 -114

Dr. - Ing. Günter Stephani

volker.zoellmer @ ifam.fraunhofer.de

Telefon +49 351 2537-301

Nanokomposite; Nanosuspensionen; nanoporöse Schichten;

guenter.stephani @ ifam-dd.fraunhofer.de

Funktionsintegration; INKtelligent printing : Ink-Jet-Printing

Fasermetallurgie; hochporöse Strukturen; metallische Hohlku-

und Aerosol-Printing; Hybridmaterialien; Sonderanlagen.

gelstrukturen; offenzellige PM-Schäume; Siebdruckstrukturen.

Gießereitechnologie

Sinter- und Verbundwerkstoffe

Dipl. - Ing. Franz-Josef Wöstmann

Dr. - Ing. Thomas Weißgärber

Telefon +49 421 2246 -225

Telefon +49 351 2537-305

franz-josef.woestmann @ ifam.fraunhofer.de

thomas.weissgaerber @ ifam-dd.fraunhofer.de

®

Zink-, Aluminium-, Magnesium-Druckguss; Gusseisen und TRONICS®

Stahlguss; Funktionsintegrierte Gussteile (CAST 

Lost Foam Verfahren; Simulation; Rapid Prototyping.

);

Hochtemperaturwerkstoffe; nanokristalline Werkstoffe; Werkstoffe für tribologische Beanspruchungen; Sputtertargets; Werkstoffe für die Wasserstoffspeicherung. 11

w w w. i f a m . f r a u n h o f e r . d e

Fraunhofer - Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe Wiener Straße 12 28359 Bremen Telefon +49 421 2246 -0 Fax

+49 421 2246 -300

info @ ifam.fraunhofer.de

Institutsleitung Prof. Dr. - Ing. Matthias Busse

Gießereitechnologie Dipl. - Ing. Franz-Josef Wöstmann Telefon +49 421 2246 -225 franz-josef.woestmann @ ifam.fraunhofer.de

© Fraunhofer - Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Formgebung und Funktionswerkstoffe