AloX

Die Anforderungen an Aluminiumgussteile bezüglich Produktqualität und Kosten steigen ständig. Mit dem zunehmenden Trend zu Leichtbau wächst der Wunsch nach immer dünneren Wandstärken und komplexerer Gestaltung der Teile, wobei gleichzeitig steigenden mechanischen und thermischen Belastungen entsprochen werden muss. Verunreinigungen des Aluminiums, beispielsweise nichtmetallische Einschlüsse, üben einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität aus und führen zu einer erhöhten Ausschussrate. Um den hohen Anforderungen an die Bauteileigenschaften gerecht zu werden, ist es daher dringend erforderlich, nichtmetallische Einschlüsse in der Schmelze und damit in dem späteren Bauteil aus Aluminiumguss zu verhindern bzw. deren Gehalt zu bestimmen. Ein gesicherter Nachweis von Einschlüssen in Aluminiumschmelzen ist jedoch aktuell nicht bzw. nur zu sehr hohen Kosten möglich. Gießereien stellen zudem hohe Anforderungen an den Nachweis bereits geringer Konzentrationen von Verunreinigungen. Das einzige derzeit auf dem Markt verfügbare Verfahren, das diese Anforderungen erfüllt, ist das sogenannte LiMCA-Messverfahren. Nachteilig sind bei dieser Messtechnik die sehr hohen Anschaffungskosten sowie die Notwendigkeit der Bedienung durch einen Experten.

Ausgehend von einem AIF-Projekt (IGF-Vorhaben Nr. 18061 N) sowie in der Folge durch industriefinanzierte Anschlussprojekte hat das Fraunhofer IZFP aus diesem Grund ein neues ressourceneffizientes Messsystem zur Kontrolle von Aluminiumschmelze entwickelt, das niedrige Investitions- und Betriebskosten aufweist sowie mit einfacher Handhabung ohne Expertenwissen ausreichend genaue und reproduzierbare Ergebnisse liefert.

Für den Partikelnachweis in Aluminiumschmelzen werden Ultraschallwellen mittels zweier spezieller Wellenleiter in die zu untersuchende Metallschmelze eingekoppelt. Ein Wellenleiter dient hierbei als Ultraschallsender, ein weiterer als -empfänger. Ein zusätzlicher Reflektor dient als Referenz, um den in die Schmelze eingekoppelten Ultraschall kontinuierlich zu überwachen. Für die Auswertung der Ultraschallsignale werden verschiedene Parameter analysiert: Verstärkung zur Auswertung des Ultraschalls, Höhe des Reflektorechos, Rauschpegel sowie Anzahl der Signalzählungen oberhalb definierter Schwellenwerte in einem bestimmten Zeit- und Messbereich. Diese spezielle Auswerteroutine wurde zudem zum Patent angemeldet.

Im Rahmen des AiF-Projektes wurde zunächst ein Labormesssystem zur Charakterisierung der Schmelzequalität aufgebaut und Fragestellungen zu Wellenleitermaterial und -geometrie, zur Positionierung der Wellenleiter, zur optimalen Ultraschallelektronik und zur daraus resultierenden Nachweisempfindlichkeit näher untersucht. Ziel der auf diesen Ergebnissen aufbauenden industriefinanzierten Folgeprojekte war es, den Ultraschall­partikel-Detektor zu einem industriell einsetzbaren Prototypen weiterzuentwickeln.

Das fertige Messsystem »AloX« ist in der obigen Abbildung gezeigt. Dieses besteht aus einem fahrbaren, an die besondere räumliche Situation der Aluminiumgießereien angepassten Messwagen sowie einer Messeinheit, die im hinteren Teil der Abbildung zu sehen ist. Mithilfe eines elektrisch fahrbaren Auslegers kann diese Messeinheit alle im Gießereiumfeld gängigen Messpositionen erreichen. Zusätzlich besitzt AloX eine lasergeregelte Höhenverstellung, sodass die Eintauchtiefe der Ultraschallwellenleiter automatisch eingestellt und während der Messungen nachgeregelt werden kann. Zur reproduzierbaren Einkopplung der Ultraschallsignale besitzt das Messsystem zusätzlich eine Leistungsultraschalleinheit, die zur Reinigung der Ultraschallwellenleiter zu Beginn und während der Messung dient.

Anhand von zahlreichen Versuchen in realen Aluminiumschmelzen konnte gezeigt werden, dass AloX das Potenzial hat, die geforderten Anforderungen hinsichtlich eines schnellen, sicheren sowie hinreichend genauen Messverfahrens zu erfüllen. Maßgeblich für den Nachweis der Funktionsfähigkeit des entwickelten Messsystems waren Vergleichsmessungen mit einem Referenzverfahren. Hierzu wurde das LiMCA-Messverfahren eingesetzt. Es war deutlich zu erkennen, dass die Messergebnisse bei geringeren Konzen­trationen, die insbesondere für die Gießereien von Bedeutung sind, korrelieren.

Der entscheidende Vorteil von AloX ist, dass es auf die individuellen Anforderungen der Industrie hin maßgeschneidert entwickelt wurde und damit auf die kundenspezifischen Bedürfnisse zugeschnitten ist. Hierzu zählt ein deutlich geringerer Preis in der Anschaffung sowie im Betrieb verglichen mit allen Konkurrenzsystemen sowie eine leichte Handhabung und eine Signalbewertung, die kein Expertenwissen erfordert.
 

Industriepartner/Projektträger:

• Bundesministerium für Wirtschaft und ­Klimaschutz (BMWK)
• Nemak Europe GmbH
• TRIMET Aluminium SE
• OHM & HÄNER Metallwerk GmbH & Co. KG
• Hydro Aluminium Rolled Products GmbH