Quality improvement of an aluminum gearbox housing by implementing additive manufacturing

Abstract

The production of small to medium-size aluminum gearbox housings at large quantities and high rates is commonly carried out by die casting. The manufactured parts are characterized by a very good surface finish and dimensional accuracy. However, a certain amount of gas porosity and shrinkage holes are to be expected. Since defects affect the mechanical properties of the housing, their reduction is also a main goal in the enhancement of the process. Improved material properties lead to higher strength and better gear performance. Despite die casting being cheap in comparison to sand casting, the costs of the casting equipment, whose main components are two hardened steel dies with the desired shape, are very high. Based on one particular gearbox housing, the objective of the present development project was to improve the quality of the gearbox housing by reducing its casting defects, while achieving simultaneously an overall improvement of the casting process. To this end, a new kind of die with integrated cooling channels was designed and evaluated using additive manufacturing technologies. First, the usual defects like cold casting sprue, sticking due to overheating, and solidification cavities of the cast part as well as the cooling behavior of the standard die were analyzed. Thus, the areas to be cooled down in a controlled way were identified and the corresponding cooling system was developed. Afterwards, an FEM analysis was carried out to check the die’s integrity during the casting process. The model was built according to given operating conditions. The stress analysis was efficiently studied on a variety of cooling channel designs. The results led to new and improved knowledge concerning the die’s stability. 3D metal printing was suitable for the manufacturing, because a clear additional benefit compared to the standard die was expected. Selective laser melting (SLM) was chosen because this technology allows the cooling system to be printed without a supporting structure. The material chosen was the tool steel 1.2709 (X3NiCoMoTi18-9-5). The die was printed and machined to its final dimensions using this material. Finally, the die casting mold was assembled and 15,000 casting rounds were executed by varying the temperature of the cooling oil. The type, number, and distribution of failures of the cast parts as well as the cycle duration were analyzed. As a result of the present work, the quality of the gearbox housing was improved concerning porosity and shrinkage holes. Furthermore, due to the targeted solidification, the casting process was shortened by about 11% per casting cycle.

Zusammenfassung

Die Herstellung von kleinen bis mittelgroßen Aluminium-Getriebegehäusen in großen Mengen und mit hoher Geschwindigkeit erfolgt üblicherweise im Druckgussverfahren. Die hergestellten Teile zeichnen sich durch eine sehr gute Oberflächengüte und Maßhaltigkeit aus. Ein gewisses Maß an Gasporosität und Lunkern ist jedoch zu erwarten. Da sich die Defekte auf die mechanischen Eigenschaften des Gehäuses auswirken, ist ihre Verringerung auch ein Hauptziel bei der Verbesserung des Verfahrens. Verbesserte Materialeigenschaften führen zu höherer Festigkeit und besserer Getriebeleistung. Obwohl das Druckgussverfahren im Vergleich zum Sandguss kostengünstig ist, sind die Kosten für die Gießanlage, deren Hauptbestandteile zwei gehärtete Stahlformen mit der gewünschten Form sind, sehr hoch. Ausgehend von einem bestimmten Getriebegehäuse bestand das Ziel des vorliegenden Entwicklungsprojekts darin, die Qualität des Getriebegehäuses durch Verringerung der Gussfehler zu verbessern und gleichzeitig eine Gesamtverbesserung des Gießverfahrens zu erreichen. Zu diesem Zweck wurde eine neuartige Gussform mit integrierten Kühlkanälen entworfen und mit Hilfe additiver Fertigungstechnologien evaluiert. Zunächst wurden die üblichen Defekte wie kalter Gussanguss, Verkleben durch Überhitzung und Erstarrungslöcher des Gussteils sowie das Kühlverhalten der Standardform analysiert. So wurden die Bereiche identifiziert, die kontrolliert abgekühlt werden müssen und das entsprechende Kühlsystem entwickelt. Anschließend wurde eine FEM-Analyse durchgeführt, um die Integrität der Kokille während des Gießvorgangs zu überprüfen. Das Modell wurde unter den gegebenen Betriebsbedingungen erstellt. Die Spannungsanalyse wurde an einer Vielzahl von Kühlkanaldesigns effizient untersucht. Die Ergebnisse führten zu neuen und verbesserten Erkenntnissen über die Stabilität der Form. Der 3D-Metalldruck war für die Herstellung geeignet, da ein deutlicher Zusatznutzen gegenüber der Standardform erwartet wurde. Die Wahl fiel auf das selektive Laserschmelzen (SLM), da mit dieser Technologie das Kühlsystem ohne Stützstruktur gedruckt werden kann. Als Werkstoff wurde der Werkzeugstahl 1.2709 (X3NiCoMoTi18-9-5) gewählt. Mit diesem Material wurde die Form gedruckt und auf ihre endgültigen Abmessungen bearbeitet. Schließlich wurde die Druckgussform zusammengebaut und 15.000 Gießvorgänge wurden unter Variation der Temperatur des Kühl-Öls durchgeführt. Die Art, Anzahl und Verteilung der Fehler an den Gussteilen sowie die Zyklusdauer wurden analysiert. Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit konnte die Qualität des Getriebegehäuses hinsichtlich Porosität und Lunker verbessert werden. Darüber hinaus konnte durch die gezielte Erstarrung der Gießprozess um ca. 11 % verkürzt werden.