Ein Blick in ein VW-Getriebe enthüllt die Wahrheit über Druckguss

Kürzlich wurde mir ein Volkswagen Golf von 1997 zum sehr günstigen Preis angeboten – vorausgesetzt, ich könnte ihn mitnehmen, da das Automatikgetriebe völlig kaputt war. Da ich nicht in der Lage war, zu einer solchen Gelegenheit Nein zu sagen, machte ich mich daran, das arme Cabrio-Haus mit einem Anhänger abzuschleppen und riss sofort die Mechanik durch, um herauszufinden, was nicht stimmte.

Leider ist es mir bisher nicht gelungen, das Biest aus Wolfsburg wieder zum Leben zu erwecken, aber während ich bis zum Handgelenk in Getriebeöl steckte, entdeckte ich etwas, das meine Aufmerksamkeit erregte. Kommen Sie vorbei und werfen Sie einen Blick ins Detail der Getriebefertigung!

Nachdem die Getriebewanne heruntergelassen und der Filter entfernt worden war, hatte ich freie Sicht auf das Innere des Getriebegehäuses. Als ehemaliger Gussingenieur fielen mir bestimmte Elemente des fertigen Teils auf. Verschiedene Teile des Gehäuses wiesen kleine Unebenheiten und Vorsprünge auf – klobige Noppen auf ansonsten flachen Oberflächen oder glatte, abgerundete Kanten. Dazu passte eine Reihe feiner rissartiger Muster auf der Oberfläche. Diese Mängel weisen auf Unvollkommenheiten in der Oberfläche der Matrize hin, was darauf hindeutet, dass das Werkzeug an der Stelle, an der es eigentlich glatt sein sollte, Löcher und Risse aufweist.

Der betroffene Bereich war kein bearbeiteter Abschnitt, sondern diente lediglich als Flüssigkeitsreservoir. Daher haben die Anomalien keinen wirklichen Einfluss auf die Übertragungsleistung. Allerdings verrät uns ihre Anwesenheit ein wenig über den Zustand der Werkzeuge, die Volkswagen zur Herstellung der Gussteile verwendet. Eine nagelneue Matrize, frisch vom Werkzeughersteller, erzeugt normalerweise keine Teile mit sichtbaren Rissen, Grübchen und Klumpen auf der Oberfläche. Die raue Beschaffenheit des 01M-Getriebegehäuses in meinem Golf von 1997 ist ein Beweis dafür, dass Volkswagen seine Gussformen im Zehntausenden von Schüssen, vielleicht sogar im sechsstelligen Bereich, laufen ließ. Angesichts der Art der Merkmale, die auf den inhärenten physischen Zustand der Gussform zurückzuführen sind, handelt es sich nicht um einen einmaligen Fehler bei einem einzelnen Guss. Stattdessen würden sich Linieningenieure und Bediener darüber im Klaren sein, dass die Matrize altert und abgenutzt wird. Angesichts der Tatsache, dass die Mängel an einer nicht entscheidenden Stelle auftraten, wurde wahrscheinlich eine bewusste Entscheidung getroffen, die Mängel zu ignorieren und die Teile zu verschicken, da sie dem durchschnittlichen Fahrer, der sein Getriebe nicht zerlegt, um Zeit auf der Straße zu verlieren, wahrscheinlich nicht auffallen würden Wochenende. Ähnliche Mängel in einem sichtbaren oder funktionellen Bereich könnten stattdessen „gespachtelt“ werden, indem die störenden Vorsprünge von einem menschlichen Bediener oder einer Maschine abgeschliffen werden.

Da es sich bei den Mängeln nicht um eine Funktionsbeeinträchtigung des Getriebes handelt, kann man die Entscheidung, die Teile aus Kostengründen weiterzugeben, nachvollziehen. Um jedoch zu verstehen, wie es zu den Fehlern kam, machen wir einen kleinen Crashkurs im Hochdruck-Aluminium-Druckguss.

Moderne Getriebegehäuse werden häufig im Hochdruck-Aluminium-Druckgussverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren werden riesige Metallformen, sogenannte Matrizen, verwendet, die aus zwei Hälften bestehen und zusammengepresst werden, wodurch ein Hohlraum zwischen den beiden entsteht. Normalerweise wird dann Vakuum angelegt, um Luft aus dem Formhohlraum abzusaugen und so den Gaseinschluss zu reduzieren. Anschließend wird geschmolzenes Aluminium in einen Zylinder gegossen und mit einem Kolben unter sehr hohem Druck in den Formhohlraum eingespritzt. Jedes Mal, wenn der Kolben geschmolzenes Aluminium in die Form schießt, spricht man von einem Schuss.

Durch das Einspritzen von geschmolzenem Metall unter hohem Druck werden die Probleme verringert, die durch das Schrumpfen des Aluminiums beim Abkühlen entstehen. Diese Schrumpfung kann zu Hohlräumen im Endprodukt führen, die als Schrumpfporosität bezeichnet wird. Wenn der Druck hoch gehalten wird, wird sichergestellt, dass die Matrizen vollständig mit so viel Aluminium wie möglich gefüllt sind, und die Schrumpfung des Endteils wird verringert. Um dem hohen Druck des Schusses standzuhalten, werden die beiden Matrizenhälften mit einem speziellen Verriegelungsmechanismus zusammengehalten, der die Matrize geschlossen halten und verhindern soll, dass Metall an den Nähten austritt, an denen sich die beiden Matrizen treffen. Wenn die Matrizen natürlich nicht perfekt flach oder richtig ausgerichtet sind, kann es vorkommen, dass Metall um die Nähte herum austritt, ein sogenannter Grat, an dem man am fertigen Teil möglicherweise eine kleine Trennfuge sieht. In extremen Fällen entkommt ein Teil des Blitzes vollständig dem Chip, und das ist sehr beängstigend, wenn es zum ersten Mal in Ihrer Schicht passiert. Normalerweise kichern die Bediener herzlich, wenn Sie von dem stechenden Metall erschreckt werden.

Auf die gleiche Weise, wie wir die zurückgelegten Kilometer als Abschätzung des Verschleißes eines Automobils erfassen, erfassen Druckgussmaschinen die Anzahl der durchgeführten Schüsse. Jeder Zyklus des Befüllens des Kolbens, des Einspritzens von Aluminium in die Matrize und des Entfernens des Teils verschleißt die Maschine und die Matrizen selbst. Matrizen wiegen viele Tonnen und bestehen aus hochfesten Werkzeugstählen. Die Herstellung einer Matrize kann mehrere hunderttausend Dollar kosten und muss sich daher durch die Produktion von Zehntausenden von Teilen amortisieren. Ingenieure arbeiten hart daran, sicherzustellen, dass die Gussformen so lange wie möglich halten, um einen kostengünstigen Gussbetrieb zu ermöglichen.

Eine typische Matrize kann bei regelmäßiger Wartung und Reparatur über 100.000 Schüsse halten. Doch mit der Zeit kann der Verschleiß zu groß werden und die Matrize muss ausgetauscht werden. Es gibt viele Möglichkeiten, wie eine Matrize bei der Herstellung hochwertiger Teile versagen kann. Ein vollständiger Überblick würde ein umfangreiches Lehrbuch füllen und würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Schauen wir uns stattdessen die Ursachen der Risse, Linien und Beulen an, die wir an unserem Volkswagen 01M-Gussteil gefunden haben.

Risse in der Formoberfläche und der daraus resultierende Defekt auf den Teileoberflächen werden üblicherweise als Hitzeschlag bezeichnet. Wenn das heiße flüssige Metall in die Form eingespritzt wird, trifft es vor anderen auf bestimmte Oberflächen in der Form. Diese Bereiche der Gussform erwärmen sich stärker als ihre Umgebung und unterliegen mit jedem Schuss geschmolzenen Aluminiums einer stärkeren thermischen Ausdehnung und Kontraktion. Diese Zyklen führen im Laufe der Zeit zu Rissen und Schäden. Die Ursache ist thermisch, daher der Name. Eine Reparatur ist durch Polieren der rissigen Oberflächen der Matrize oder durch Aufschweißen von frischem Metall auf die Matrize und Zurückschleifen auf das ursprüngliche Profil möglich. Eine solche Reparatur behebt jedoch nicht die Grundursache, und die Hitzeprüfung wird erneut durchgeführt, wenn weitere Schüsse anfallen.

Lochfraß in der Matrize wird häufig durch Kavitation verursacht. Wenn heißes Metall mit hoher Geschwindigkeit in die Matrize fließt, können sich winzige Blasen oder Vakuumtaschen bilden, die dann zusammenfallen. Dies geschieht aufgrund der Art des Flüssigkeitsflusses durch den Formhohlraum in bestimmten Bereichen. Typischerweise befindet es sich in einem Bereich, in dem sich die Strömungsrichtung ändert oder auf ein Hindernis stößt, und ein Niederdruckbereich ist von flüssigem Hochdruckmetall umgeben. Wenn der Druck um die Tiefdruckblase herum zunimmt, kollabiert diese schließlich. Die kollabierende Blase kann eine starke Stoßwelle und lokal hohe Temperaturen erzeugen, die die Oberfläche des Stempels beschädigen. Dies beginnt auf mikroskopischer Ebene, aber mit der Zeit nimmt der Schaden zu und die Gruben werden tiefer, je mehr Schüsse auf den Würfel abgegeben werden. Ähnlich wie bei der Wärmeprüfung kann der Schaden durch Schweißen von frischem Metall repariert werden, um den Lochfraßbereich zu füllen. Aber ohne eine Neugestaltung der Düsengeometrie zur Reduzierung des Kavitationsproblems ist dies keine dauerhafte Lösung und der Schaden wird erneut auftreten.

Die Schäden an den Matrizen, die an unserem fertigen Getriebegehäuse erkennbar sind, sind im Kontext verständlich. Das 01M-Getriebe wurde in den 1990er und frühen 2000er Jahren in einer Vielzahl von Volkswagen-Fahrzeugen eingesetzt und kam schließlich in Hunderttausenden, wenn nicht Millionen von Autos zum Einsatz. Volkswagen verfügte im Laufe der Jahre wahrscheinlich über mehrere Gießmaschinen, die rund um die Uhr in Betrieb waren, und über viele Formen, um die benötigten Teile herauszupumpen. Bei diesem hohen Produktionsniveau ist mit einem gewissen Verschleiß zu rechnen. Da sich die festgestellten Anomalien an einer nicht funktionsfähigen Stelle befanden, hätten die Ingenieure die Teile freigegeben, um sie entlang der Linie zu fließen, und gleichzeitig den Zustand der Matrize auf weitere Probleme überwacht.

Hoffentlich hat Ihnen dieser Artikel etwas über die Herstellung von Hochdruck-Druckgussteilen beigebracht und ermöglicht es Ihnen, das nächste Mal, wenn Sie auf dem Schrottplatz sind, elegant vor Ihren Freunden anzugeben. Für diejenigen, die sich für Prozesssteuerung, Strömungsmechanik und Fertigungseffizienz interessieren, kann Druckguss ein interessantes Arbeitsfeld sein. Die Welt liebt Aluminiumteile, daher werden Ihnen die Fähigkeiten, die Sie erlernen, auch in Zukunft von Nutzen sein!