Magnesiumspritzgießen leicht gemacht

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Für das Spritzgießen von Magnesium, Thixomolding genannt, stellt der chinesische Maschinenbauer Yizumi die entsprechende Technik zur Verfügung.

Spritzgießer sollten wissen, dass Magnesium das leichteste genutzte Konstruktionsmetall ist. Mit einer spezifischen Dichte von 1,74 g/cm³ ist der Werkstoff bis zu 75 % leichter als Stahl und immerhin noch 30 % leichter als Aluminium. Aufgrund seiner sehr guten gewichtspezifischen mechanischen Eigenschaften ist Magnesium den meisten Kunststoffen hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit überlegen. Zudem bietet es typische metallische Eigenschaften wie eine hohe Wärmeleifähigkeit, gute elektrische Eigenschaften und eine hervorragende EMV-Schirmung. Magnesium ist als sechsthäufigstes Element weltweit verfügbar und lässt sich sehr gut recyceln. Neben dem Einsatz als Legierungselement für Aluminium-Legierungen werden Magnesiumlegierungen vor allen Dingen in urformenden Verfahren verwendet.

Das Thixomolding, dass auch als Magnesiumspritzgießen bezeichnet wird, ist ein hybrides Verfahren zwischen dem Spritzgießen von Kunststoffen und dem Druckgießen von Leichtmetalllegierungen. Der Rohstoff wird dabei nicht als Barren in einem Ofen erschmolzen, sondern als Chips (ähnlich rezykliertem Mahlgut) in ein Schneckensystem überführt. Die weiteren Verarbeitungsschritte der Förderung, Plastifizierung, Homogenisierung und Einspritzen erfolgen analog zum konventionellen Spritzgießen. Bei der Entformung wird die Werkzeugkavität mit Druckluft von Metallflitter gereinigt und Trennmittel aufgesprüht, um ein Anhaften des Magnesiums im Werkzeug zu verhindern.

Verarbeitungstemperatur von 570 bis 605 °C

Das Funktionsprinzip des Thixomolding-Verfahrens: Der Rohstoff wird dabei nicht als Barren in einem Ofen erschmolzen, sondern als Chips (ähnlich rezykliertem Mahlgut) in ein Schneckensystem überführt. Grafik: Yizumi

Anders als beim Druckgießen wird das Magnesium nicht bis in den Bereich der überhitzten Schmelze (TVer = 650-700 °C) erwärmt. Vielmehr wird eine Verarbeitungstemperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur (570 bis 605 °C) angestrebt im sogenannten Semi-Solid-Bereich, in dem feste Partikel in einer flüssigen Matrix vorliegen. Durch die permanente Umwälzung und Scherung des Materials in der Schnecke werden die vormals nadelförmigen (dendritischen) Festpartikel verrundet (globulitisch) und können in der flüssigen Matrix aufeinander abgleiten.

In der Folge verhält sich das teilerstarrte Material im Ruhezustand wie eine hochviskose, solide Masse – vergleichbar mit gekühltem Honig – und wird unter gleichförmiger Scherung wieder dünnflüssig. Diesem rheologischen Verhalten, Thixotropie genannt, verdankt das Thixomolding seinen Namen. Darüber hinaus verhält sich das so präparierte Material analog zu Kunststoffen auch strukturviskos und weist bei der Formfüllung in weiten Teilen ein laminares Strömungsprofil auf. Dadurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zum Druckgießen.

Die laminare Formfüllung kann im Thixomolding mit um bis zu 50 % reduzierten Einspritzgeschwindigkeiten stattfinden. Dadurch wird weniger Luft in der Kavität mitgerissen und folglich werden Anzahl und Größe von Lufteinschlüssen und somit Fehlstellen deutlich verringert. Die niedrigeren Verarbeitungs- und Werkzeugtemperaturen führen zu geringerer Schwindung der Bauteile, was sich positiv auf Maßhaltigkeit, Lunkerbildung und Warmrissneigung auswirkt.

Längere Standzeit der Werkzeuge

Zusammen mit niedrigeren Einspritzdrücken und Druckspitzen sowie abgeschwächten Temperaturwechseln (Thermoschocks) wird auch die Standzeit von Thixomolding-Werkzeugen deutlich verlängert. Da die Magnesiumchips lediglich batchweise aufgeschmolzen und nicht in einem Schmelzeofen vorgehalten werden, kann von einer stark verbesserten Energieeffizienz ausgegangen werden. Zudem kann auf den Einsatz besonders klimaschädlicher Schutzgase (wie etwa SF4) komplett verzichtet werden.

Beim Bauteildesign kann man sich stärker als zuvor am Spritzgießen orientieren; lediglich das Angussdesign entspricht weiterhin den Richtlinien im Druckguss. Größere Wanddickensprünge sind dabei ebenso möglich wie dünnwandige Bereiche (circa 0,5mm) und filigrane Funktionselemente wie Rippen, Dome und Schnapphaken. Zudem sind Entformungen ohne Schrägen möglich, womit sich, wie in unserem Beispiel, Ritzel ohne Nachbearbeitung der Zahnflanken herstellen lassen. Die verringerte Porosität führt zudem zu eine besseren Oberflächenfinish, sodass Bauteile ohne Nachbehandlung direkt lackiert werden können.

Ursprünglich wird im Thixomolding ähnlich wie bei Warmkammer-Druckgussmaschinen durch eine Düse über einen breiten kegelförmigen Anguss angegossen, der sogenannten Angussflöte. Mit einem Hotdrop genannten Heißanguss, ähnlich einem Einfach-Heißkanal, kann diese Angussflöte vermieden werden. Aktuell werden 80 % der Thixomoldingbauteile direkt auf das Bauteil angespritzt.

Kürzere Fließwege beim Magenesiumspritzgießen

Das direkte Anspritzen bietet beim Thixomolding zusätzliche technische Vorteile: Dazu gehören bessere Material- und Gefüge-Eigenschaften durch kürzere Fließwege sowie weniger Sekundärmaterial pro Zyklus (Gießläufe, Gießkuchen): Der Energieaufwand pro Zyklus ist geringer, die Zykluszeit kürzer. Außerdem können bei der Auswahl der Maschinengröße
geringere Schließkräfte gewählt werden.

Neben den Vorteilen sollen aber auch die Herausforderungen der Magnesiumverarbeitung im Thixomolding nicht unerwähnt bleiben. Der Anteil an Feststoffpartikeln in der Matrix und die daraus resultierenden Fließeigenschaften sind unmittelbar von der Verarbeitungstemperatur abhängig. Daher ist die exakte Temperaturführung der teilerstarrten Schmelze aus der Schnecke bis ins Werkzeug eine besondere Herausforderung.

Zudem stellt die im Vergleich zu Kunststoffen höhere Härte der Magnesiumchips und die Reaktivität der halbflüssigen Metallschmelzen besondere Anforderungen an die Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit von Komponenten wie Schnecke, Zylinder und Rückstromsperre. Zuletzt verlangen die Verarbeitungstemperaturen von 600 °C und darüber hinaus nach einer sehr guten Wärmeformbeständigkeit.

Die Technik hat sich weiterentwickelt

Unzuverlässige Heizquellen und ungünstige Materialkombinationen für schmelzeführende Komponenten führten in der Vergangenheit immer wieder zu Produktionsunterbrechungen, vorgezogenen Wartungsintervallen und erhöhtem Verschleiß. Der Einsatz von teuren Superlegierungen auf NE-Metall-Basis verringerte zudem die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich. Durch den Einsatz moderner Stahlsorten mit entsprechender Wärmebehandlung konnte der Verschleiß minimiert und die Standfestigkeit von Zylinder und Schnecke stark verbessert werden. Zylinderheizbänder mit Strahlungswärme sind genauer, robuster und energieeffizienter als Widerstandsheizungen und für das Thixomolding daher heute Mittel der Wahl.

sk

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