Jede Anfrage, die wir von Einkaufsteams der Tier-1-Zulieferer erhalten, stellt in irgendeiner Form dieselbe Frage: "Wie hoch ist Ihr Porositätsniveau?" Das ist die falsche Frage, und das teilen wir bereits im ersten technischen Review-Gespräch mit. Porosität ist keine feste Kennzahl, die man in ein Datenblatt schreiben kann – sie ist eine Verteilung, die von Anschnittgestaltung, Wanddickenübergängen, Legierungschemie und eben davon abhängt, ob der Schuss vakuumunterstützt erfolgt. Was wir liefern können, ist ein belastbarer Bereich, gestützt auf Röntgen-NDT-Daten und CT-Scans aus realen Produktionslosen – kein Laborcoupon.
Dieser Artikel behandelt, was Vakuum-Hochdruckdruckguss (VHPDC) gegenüber konventionellem HPDC tatsächlich bringt, wo sich die Verbesserung einpendelt und – ebenso wichtig – wo Vakuum überhaupt nichts bewirkt.
Der Kernmechanismus: Was Vakuum tatsächlich entfernt
Beim konventionellen HPDC wird geschmolzenes Aluminium in eine Kavität eingespritzt, die vollständig mit Luft bei Atmosphärendruck gefüllt ist. Während die Schmelzefront mit 30–60 m/s vordringt (typisch für dünnwandige EV-Strukturbauteile), hat die Luft keine Zeit, über die Entlüftungen zu entweichen – sie wird geschert, eingeschlossen und als Mikroblasen in die Schmelze eingefaltet. Nach der Erstarrung sind diese Blasen als Gasporosität fixiert.
VHPDC evakuiert die Kavität auf unter 50–100 mbar Restdruck, bevor der Gießkolben in der Füllbüchse anläuft. Es ist schlicht deutlich weniger Gasmasse in der Kavität vorhanden, die eingeschlossen werden könnte. Es handelt sich um ein mechanisches Luftentfernungsproblem, nicht um ein metallurgisches – weshalb Vakuum die Gasporosität drastisch reduziert, bei der Schwindungsporosität, einem Erstarrungs-/Speisungsproblem, jedoch kaum Wirkung zeigt.
Diesen Unterschied klären wir mit jedem Konstruktionsingenieur des Kunden frühzeitig, da er bestimmt, wo die DFM-Anstrengungen ansetzen sollten.
Quantifizierte Porositätsreduzierung: Unsere Produktionsdaten
Über unsere 13 Gießinseln (350T–3050T, alle VHPDC-ausgestattet) hinweg, basierend auf Röntgen- und CT-Daten aus EV-Motorgehäuse- und Wechselrichtergehäuse-Programmen über mehrere PPAP-Zyklen:
| Kennzahl | Konventionelles HPDC | VHPDC (Vakuum <100 mbar) | Delta |
|---|---|---|---|
| Gasporosität, Volumenanteil (Durchschnitt) | 2–5 % | 0,3–1,0 % | 60–80 % Reduzierung |
| Röntgen-Klasse-1-Bestehensquote (Dicht-/Strukturzonen) | 70–85 % | 92–97 % | +15–20 Pkt. |
| Erstprüfungs-Ausbeute Dichtheitsprüfung (He/Luft-Abfall, ≤6 Pa·cm³/s Spezifikation) | 88–93 % | 96–99 % | +6–8 Pkt. |
| T6-Wärmebehandlung ohne Blasenbildung durchführbar | Bei den meisten Gussteilen nicht durchführbar | An Strukturzonen durchführbar | — |
| Mikroporosität >0,3 mm an Wanddickenübergängen | Häufig | Weiterhin vorhanden, geringere Dichte | Nicht eliminiert |
Die ehrliche Kernzahl: 60–80 % Reduzierung des Gasporositäts-Volumenanteils. Wir nennen bewusst keine einzelne Zahl, da jede Einzelwertangabe ohne Geometriebezug Marketing ist, keine Ingenieurleistung.
Warum die Bandbreite 20 Punkte umfasst – drei Variablen, die das Ergebnis bestimmen
1. Reaktionszeit des Vakuumventils
Schließt das Vakuumventil nicht, bevor die Schmelzefront es erreicht, kommt es zum "Vakuum-Leck" – der Kavitätsdruck springt genau dann zurück in Richtung Atmosphärendruck, wenn die Front vorbeiläuft, und der Nutzen geht größtenteils verloren. Auf unseren Inseln handelt es sich um ein servogesteuertes Ventil, synchronisiert auf die Kolbenposition, nicht auf einen Schusstimer – geometriespezifisch abgestimmt während des Anlaufs, kein von einem ähnlichen Bauteil übernommener Fixparameter.
2. Wanddickenübergänge
Dies wird von Kunden am häufigsten fälschlich als "unzureichendes Vakuum" interpretiert. Ein dicker Boss, der in eine 2,5-mm-Rippenwand übergeht, ist ein Erstarrungs-Speiseproblem – der dicke Bereich erstarrt zuletzt und zieht Schwindungsporosität aus jedem noch flüssigen Speisemetall. Das Vakuumniveau ist hier irrelevant. An dieser Stelle setzen wir Moldflow ein, um die zuletzt füllende/erstarrende Zone in einen Überlaufwulst oder einen nicht bearbeiteten Boss zu verlagern, statt zu versuchen, ein Geometrieproblem "wegzuvakuumieren".
3. Legierung und Fe-Kontrolle
AlSi10MnMg und AlSi9Mn mit eng kontrolliertem Fe-Gehalt reagieren vorhersehbar auf Vakuum. Legierungen mit höherem Fe-Anteil aus Recyclingmaterial führen zu Oxidhauteinschlüssen als konkurrierendem Fehlermechanismus – Vakuum reduziert die Gasporosität, wirkt sich aber nicht auf Oxidbifilme aus, sodass die Gesamtfehlerdichte nicht proportional sinkt. Erlaubt die Kundenspezifikation aus Kostengründen eine Sekundärlegierung, weisen wir von vornherein darauf hin, dass die Porositätsverbesserung durch Vakuum auf dem Papier geringer ausfallen wird, da ein anderer Fehlermechanismus nun begrenzend wirkt.
Typische Fehlerbilder: Was Vakuum behebt und was nicht
| Fehlerart | Grundursache | Durch Vakuum behoben? | Tatsächliche Abhilfe |
|---|---|---|---|
| Gasporosität (runde, glattwandige Hohlräume) | Lufteinschluss beim Füllvorgang | Ja – 60–80 % Reduzierung | VHPDC + Ventiltiming |
| Schwindungsporosität (unregelmäßig, interdendritisch) | Unzureichende Speisung bei der Erstarrung | Nein | Anschnitt-/Speisergestaltung, Wanddickenharmonisierung |
| Oxidbifilme/Kaltschweißstellen | Turbulente Füllung, Faltung der Oxidhaut | Teilweise | Anschnittgeschwindigkeitssteuerung, Fe-Management der Legierung |
| Blasenbildung bei T6-Behandlung | Oberflächennahes Gas dehnt sich unter Wärme aus | Ja, indirekt | Vakuum reduziert das für Expansion verfügbare eingeschlossene Gasvolumen |
Bedeutung für PPAP und Dichtflächen
Bei Tier-1-Programmen mit Dichtflächen am Gehäuse (Wechselrichtergehäuse mit IP6K9K-Anforderung oder Umfangsdichtungen an Batteriewannen) zählt nicht der pauschale Porositätsanteil, sondern ob Porosität die bearbeitete Dichtebene schneidet. Der eigentliche Nutzen von VHPDC in unserem Prozess besteht darin, dass wir mit Moldflow die verbleibende Restporosität gezielt in Überlaufwülste und unkritische Bossen lenken können, sodass die Dichtfläche nach der 5-Achs-CNC-Bearbeitung sauber ist. Wir validieren dies mit 100 %iger Inline-Helium-/Luft-Dichtheitsprüfung nach der Bearbeitung, nicht mit stichprobenartiger Prüfung – denn eine Porositätstasche, die nach der Bearbeitung eine Dichtnut schneidet, ist ein Feldausfall, der nur auf seinen Zeitpunkt wartet, und keine gemittelte Bulk-Porositätszahl erfasst das.
Fazit
Rechnen Sie beim Wechsel von konventionellem HPDC zu VHPDC mit einer Reduzierung des Gasporositäts-Volumenanteils um 60–80 %, was sich in etwa 15–20 Prozentpunkten Verbesserung der Röntgen-Klasse-1-Bestehensquote an Struktur-/Dichtzonen niederschlägt. Was Vakuum nicht leistet: die Behebung von Schwindungsporosität aus schlecht gestalteten Wanddickenübergängen oder Oxidfehlern aus einer unzureichend kontrollierten Schmelze – diese müssen bereits in der DFM- und Legierungsspezifikationsphase gelöst werden, nicht am Vakuumventil. Jeder Lieferant, der Ihnen eine einzelne "Porositäts-%"-Zahl ohne Bezug auf Bauteilgeometrie und Fehlerart nennt, gibt Ihnen eine Marketingzahl, keine Prozessfähigkeit.
