Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFZink-Druckguss, Warmkammer, zyklisches Werkstoffverhalten
Potenzial von modernen Zink-Druckgusslegierungen ausschöpfen
Dank des effizienten Warmkammer-Druckgießverfahrens können Bauteile aus Zink-Gusslegierungen in kurzer Zeit in großen Stückzahlen produziert werden und kommen aufgrund ihrer hohen Oberflächen- und Bauteilqualität in vielen Industrien zum Einsatz. Als Strukturelemente, Getriebegehäuse, Verbindungselemente oder Gehäuse für Sensorik und Elektronik - nicht jedoch für anspruchsvolle, zyklisch hoch belastbare Anwendungen. Hierzu fehlen zuverlässige Betriebsfestigkeits-Kennwerte. Um dies zu ändern, haben Forschende aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF das zyklische Werkstoffverhalten verschiedener Zink-Druckgusslegierung untersucht und in einem Bemessungskonzept zusammengefasst.
Das Warmkammer-Druckgießverfahren ist aufgrund seiner kurzen Zykluszeiten und hohen Produktivität das wichtigste Fertigungsverfahren für Bauteile aus Zink-Werkstoffen. Im Vergleich zu Aluminium zeichnen sich Zink-Druckgusslegierungen durch ihren niedrigen Schmelzpunkt und die Möglichkeit aus, dünnwandigere Gussteile mit hoher Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit herzustellen. Allerdings werden Zink-Druckgusslegierungen aufgrund fehlender Kennwerte und Bemessungsmethoden für die Beschreibung des zyklischen Werkstoffverhaltens selten für zyklisch hochbelastete Bauteile eingesetzt. Dieses Potenzial soll gehoben werden.
Analyse des zyklischen Werkstoffverhaltens von Zink-Druckgusslegierungen
Um eine Grundlage zur Abschätzung des Bauteilverhaltens unter zyklischer Beanspruchung zu schaffen, haben Fraunhofer-Forschende in dem Projekt »Zynk-Guss« das zyklische Werkstoffverhalten für die Legierung Zamak 5 (ZP0410) unter Berücksichtigung des spannungsmechanischen, technologischen sowie statistischen Größeneinfluss ermittelt. Dehnungsgeregelte Schwingfestigkeitsuntersuchungen auf servo-hydraulischen Versuchsständen zeigten das plastische Verformungsverhalten. Den größten Einfluss auf die Schwingfestigkeit hat gerade bei dünnwandigen Strukturen die durch den Druckgießprozess ausgeprägte lokale Mikrostruktur, was metallographische Untersuchungen an Proben und Bauteilen verdeutlicht haben.
Bemessungskonzept zur Bewertung der Lebensdauer
Die Fraunhofer-Experten befassen sich mit dem gesamten Bauteilentwicklungsprozess und mit der Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse für die Anwender-Industrien. Auch in Richtlinien und Normen fließe die Ergebnisse ein. Ein zentrales Ergebnis von »ZynkGuss« ist ein neues Bemessungskonzept, dass die zyklischen Untersuchungen und Ergebnisse aus der Gießprozesssimulation berücksichtigt. Diese Resultate zeigen, dass moderne Zink-Druckgusslegierungen auch für hochbeanspruchte Anwendungen geeignet sind.
Potenzial für Zink-Druckgusslegierungen als Kunststoff-Ersatz in einer Circular Economy
Der erfolgreiche Projektabschluss ist ein entscheidender Schritt, um Zink-Druckgusslegierungen in anspruchsvollen Anwendungen zu etablieren. Die Ergebnisse helfen, das Potenzial dieser Werkstoffe im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Leichtbau voll auszuschöpfen. Ingenieure, Hersteller, Entscheidungsträger im Gebäudebereich (Fenster, Türen, Schlösser und Sicherheitstechnik) und der Automobilbranche, taktil und optische hochwertige Flächen sowie Sicherheitsbauteile wie Gurtstraffer, können profitieren. Der große Vorteil von Zink-Druckguss Legierungen: sie sind zu 100 Prozent recyclebar. Im Vergleich zu Aluminium ist kein Downcycling durch Verunreinigungen zu erwarten. Sie sind leistungsstark und erfüllen aller Voraussicht nach die strengen, bald in Kraft tretenden EU-Richtlinien. Diese »Super«-Materialien sind eine Alternative zu nicht recyclingfähigen Kunstoffen beispielsweise bei hochwertigen Verpackungen.
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