Giessprozess-Simulation

Grundlagen der Gießprozess-Simulation

Die Grundlage für die Gießprozess-Simulation liefern die bekannten Gleichungen zur Beschreibung der Dynamik von Strömungen, Temperaturfluss, Spannungsentwicklung und anderer zu berücksichtigenden mechanischen, chemischen und thermischen Vorgänge. Der spezifische Gießprozess wird durch die Randbedingungen modelliert, unter denen die Software die Gleichungen löst.

Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen können am Bildschirm, ausgedruckt als Farbgrafik oder in dreidimensionalen Räumen (holografisch) dargestellt werden. Sie stellen eine qualitative und quantitative, leicht zu erfassende Dokumentation der Phänomene des Gießprozesses dar. Sie illustrieren den Ablauf der Formfüllung und der Erstarrung. Berechnete Qualitätskriterien zeigen potenzielle Fehler auf und ermöglichen die Vorhersage von zu erwartenden Gussteil-Gefügen und -Eigenschaften. Die Bildung von Eigenspannungen und Verzug im Gussteil kann ebenfalls vorhergesagt werden. Dynamische Prozesse wie das Einströmen der Schmelze in den Formhohlraum können als Animationen visualisiert werden.

Genutzt werden können diese Ergebnisse über den gesamten Lebenszyklus eines Gussteils hinweg. Simulation unterstützt gleichzeitig die spezifikations- und gussgerechte Konstruktion eines Gussteils, den Werkzeugbau, die Auslegung einer stabilen, wirtschaftlichen Fertigung bis zur Qualitätssicherung und der optimierenden Weiterentwicklung eines Gussteils. Die Gießprozess-Simulation gestattet zu jeder Zeit einen Blick in die Zukunft des nächsten Prozessschritts. Vor der Entwicklung der Gießprozess-Simulation war dies nur auf der Basis von Erfahrung und durch „Versuch und Irrtum“ möglich – was bei kürzeren Entwicklungszeiten, den stetig steigenden Qualitätsanforderungen und dem Zwang zu kostengünstiger Fertigung nicht mehr zu befriedigenden Ergebnissen führt.

Ziele der Gießprozess-Simulation

Mit der Simulation von Gießprozessen werden die folgenden Aufgabenstellungen unterstützt:

- Prüfung und Verbesserung des Gussteildesigns in Richtung stabiler, robuster Gießprozesse (gießgerechte Konstruktionen)
- Beurteilung von Fehlerrisiken beim Gießen (Vermeidung von Gussfehlern). Hier geht es um Phänomene der Formfüllung wie Turbulenzen bzw. Verwirbelungen, Formerosion, Oxidbildung sowie Phänomene der Erstarrung wie Lunker-, Gefüge- und Eigenspannungsbildung.
- Beurteilung und Minimierung von Gussteilverzug, der in großem Maße von den Wandstärkenverteilungen im Gussteil – also vom Design abhängt (Maßhaltigkeit).
- Optimierung von Gieß- und Wärmebehandlungsprozessen (Wirtschaftlichkeit).
- Auslegung von Gießtechnik mit minimalem Rohstoff- und Energieeinsatz (Energie- und Materialeffizienz).
- Schaffung von Informationen, Ergänzung von Erfahrungen (Wissensmanagement).

Stationen eines Simulationsprojekts

Simulationsprojekte bestehen grundsätzlich aus fünf Schritten:

- 3D-Geometrie-Modellierung
- Vernetzung
- Festlegung der Prozess-Parameter
- Berechnung
- Ergebnisauswertung

Ausgangspunkt der Simulation ist ein 3D-CAD-Modell des zu simulierenden Teils und des in die Betrachtung einbezogenen Gießsystems (Angusssystem, Form etc). In der Automobilindustrie liegen digitale 3D-CAD-Modelle der Gussteile in der Regel vor. In anderen Branchen müssen sie häufig noch auf der Basis von Konstruktionszeichnungen angefertigt werden.

Die Vernetzung teilt die zu betrachtende Geometrie für die mathematische Behandlung in infinitesimale (Volumen-) Segmente. Bei der Berechnung nach der Finite-Volumen-Methode geschieht die Vernetzung vollautomatisch. Kommt die Finite-Elemente-Methode zur Anwendung, wird ebenfalls automatisch vernetzt, jedoch bleibt eine Bearbeitung von Hand notwendig. Mit der Festlegung der Prozess-Parameter (Gießleistung, Schusskurve, Legierung und Gießtemperatur, Temperiermedium, Formtemperatur etc.) komplettiert der Nutzer die notwendigen Voraussetzungen, um die Berechnung zu starten. Heute sind die PC-Plattformen so leistungsfähig geworden, dass Simulationsberechnungen für ein Projekt mehrmals täglich durchgeführt werden können. Mehrkernprozessoren ermöglichen auch bei größeren, komplexen Verhältnissen kurze Berechnungszeiten.

Um die Ergebnisse auszuwerten, werden Berechnungsresultate als farbcodierte Grafiken oder Filme ausgegeben, die etwa das Füllen der Gießform und die Erstarrung der Schmelze dynamisch darstellen. Je nachdem, welche entstehenden Eigenschaften betrachtet werden sollen, beispielsweise die Bildung von Eigenspannungen oder Porositäten, werden ihnen verschiedene Farbtöne zugeordnet, die der Anwender interpretieren kann.

Die Gesamtdauer eines Simulationsprojekts variiert mit der Komplexität und der Ganzheitlichkeit des zu betrachtenden Modells. So kann z. B. eine thermische Analyse eines Gießprozesses in einem Zeitraum von Minuten, in aller Regel weniger als einer Stunde, durchgeführt werden – vom Vorliegen des 3D-CAD-Modells des Gussteils bis zum ausgewerteten, dokumentierten Ergebnis. Für die Berechnung des Formfüllens, der Erstarrung und der Eigenspannungsbildung über mehrere Zyklen hinweg benötigt man natürlich länger.

Informationen aus der Gießprozess-Simulation

Konkret zeigt die Simulation die folgenden Informationen über den Gießprozess auf:
- Formfüllung des Gussteils
- Verlauf und Temperaturen der Schmelzströmung
- zuletzt gefüllte Bereiche
- Entlüftung der Form
- Totgebiete im Fließlauf
- Verwirbelungen der Schmelze
- Aufeinandertreffen von Schmelzfronten
- Kaltschweißstellen

Gussteilerstarrung:
- Lunker und Poren
- Nachspeisungsverhalten

Informationen über das Werkzeug:
- Unterstützung der vollständigen Formfüllung
- Zykluszeiten
- Kernverschleiß
- Klebeneigung
- Lebensdauer der Form

Integration der Simulation in Gussteil-Lebenszyklus und Gießerei-Prozesse

Je tiefer und umfassender die Simulation in den Lebenszyklus eines Gussteils integriert ist, desto höher ist ihr technischer und damit auch ihr wirtschaftlicher Nutzen. Da der Lebenszyklus in der Regel unternehmensübergreifend ist, sollte die Gießprozess-Simulation nicht nur in die Prozesse der Gießereien, sondern auch in die der Gussteil-Konstruktion und beim Gussteil-Abnehmer integriert werden.

In der Design- und Konstruktionsphase hilft die Gießprozess-Simulation, Teile zu entwickeln, die den Spezifikationen der Abnehmer genügen und gleichzeitig gussgerecht ausgelegt sind. Potenzielle Probleme beim Gießen lassen sich so bereits früh erkennen und konstruktiv eliminieren. Dies reduziert und verkürzt Überarbeitungsschleifen und beschleunigt damit die Entwicklungsprojekte.

Nach der Konstruktionsphase ermöglicht die Simulation das Aufsetzen eines stabilen und wirtschaftlichen Gießprozesses. Der Werkzeugbau erhält durch die Simulationsergebnisse fundierte Informationen für die Anfertigung der Formen, die Fertigung erhält verlässliche Parameter, um Füllkurven, Gießlöffelsteuerung, Zykluszeiten etc. so einzustellen, dass sie zuverlässig ein spezifikationsgerechtes Gussteil liefern. Bevor die Simulationsmethode zur Verfügung stand, mussten sich Gießereien in dieser Phase auf das individuelle Wissen des Gießers und die Versuch-und-Irrtum-Ergebnisse aus zahlreichen, teuren Probeabgüssen verlassen. Jetzt steckt dieses Wissen in der Software und die theoretisch beliebig oft zu wiederholende Berechnung ersetzt den realen Probeguss.

Die Qualitätssicherung profitiert bereits ohne eigenen Einsatz von Simulationswerkzeugen insofern, dass durch die simulationunterstützte Konstruktion und Fertigung die Produktion fehlerhafter Teile minimiert wird und durch die Simulation alle relevanten Prozessschritte in der Software dokumentiert sind. Die Dokumentation für Qualitätsaudits von Kunden oder Zertifizierungsstellen ist damit quasi automatisch erstellt. Der direkte Einsatz der Gießprozess-Simulation empfiehlt sich für die kontinuierliche Qualitätssicherung. Sie erlaubt z. B. die einfache Überprüfung, ob sich die Belastbarkeit eines Gussteiles durch die Änderung eines Prozessparameters steigern lässt.

Gießprozess-Simulation als Kommunikationswerkzeug

Neben dem direkten Einfluss, den die Gießprozess-Simulation auf die Entwicklungs- und Fertigungsprozesse von Gussteilen hat, spielt sie auch eine verbindende Rolle in den fach- und unternehmensübergreifenden Prozessen: Sie dient als verbindliche „Sprache“, über die sich alle beteiligen Personen verständigen können. Über objektive Ergebnisse einer Simulation können etwa Konstruktion und Fertigung fundiert diskutieren und entscheiden, ob Gussteil oder Gießsystem modifiziert werden müssen oder direkt in die Fertigung gehen können. Ohne das Simulationsergebnis fehlt diese Verständigungsbasis. Der Gießer kann allenfalls, und für den Konstrukteur nicht überprüfbar, auf der Basis seines Wissens und seiner Erfahrung die Gussgerechtigkeit eines Teils beurteilen. Ob er recht hat oder nicht, erweist sich erst, wenn überhaupt, nach den ersten gefertigten Gussteilen.

Quelle Text: wikipedia.
Quelle Bilder: Böke-IE GmbH
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