Thermomechanische Mehrphasensimulation mit lokaler Berechnung von Werkstoffeigenschaften zur Vorhersage und Minimierung des Verzugs von Gussbauteilen

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Die maßgenaue Herstellung von Gussbauteilen birgt großes wirtschaftliches Potenzial und bildet die Grundlage für eine ressourceneffiziente Produktion. Trotz des hohen Niveaus der Gussproduktion bieten die etablierten Gussfertigungsverfahren noch nicht die Möglichkeit, diesem Qualitätskriterium mit gezielten Steuerungsmöglichkeiten im Produktionsprozess gerecht zu werden. Die Erstarrung beim Gießen ist ein komplexer Prozess mit einem Zusammenspiel physikalischer Phänomene auf mehreren Skalen. Durch das Zusammenspiel von Wärmetransport und anderen Erstarrungsmechanismen ergeben sich große und lokale Struktur- und Eigenschaftsunterschiede.

Das übergeordnete Ziel dieses Teilprojekts ist die genaue Vorhersage und Kontrolle von Defekten wie Verzug und Heißrissbildung, die bei Gießprozessen auftreten, durch numerische Modellierung und Simulation. Dies soll erreicht werden, indem die Abhängigkeiten der Eigenschaften (Elastizitätsmodul, Permeabilität usw.) erfasst und in Mikrostruktursteuerungen ausgedrückt werden, die lokalen Materialeigenschaften modelliert und direkt mit der makroskopischen, thermomechanischen Mehrphasensimulation verknüpft werden, so dass eine quantitative Vorhersage des Verzugs möglich wird.

Die in der ersten Phase entwickelten Erstarrungsmodelle und die empirischen Wärmeübergangsmodelle ermöglichten die Quantifizierung des Wärmeübergangs beim Anlassen für die durchgeführten Experimente und sind nun mit Hilfe eines neu entwickelten physikalischen Wärmeübergangsmodells allgemein anwendbar. Die in der zweiten Phase entwickelten und implementierten Heißrisskriterien identifizieren zuverlässig die Bereiche des Auftretens dieser Defekte im Bauteil, und es wurden erste Ansätze für mögliche thermische und geometrische Kompensationsstrategien im Verbund sowie durch die numerische Integration von Heizschichten entwickelt. Die Kriterien und Kompensationsvorhersagen werden in der dritten Phase zu einem mehrphasigen Ansatz erweitert, um die Genauigkeit der Vorhersage und Kompensation weiter zu erhöhen und die zugrundeliegenden Mechanismen der thermomechanischen Wechselwirkungen physikalisch abzubilden. Darüber hinaus wird die Entwicklung eines mehrphasigen Ansatzes die direkte Einbeziehung von Ergebnissen der Mikrostruktursimulation, wie z. B. der Permeabilität, ermöglichen und damit die Zusammenarbeit innerhalb des SFB vertiefen. Mit den zu entwickelnden Modellen kann die Genauigkeit von Gussbauteilen im Vorfeld quantitativ bestimmt werden. Dies ist mit bekannten Modellen, die keine berechneten Bedingungen und teilweise nur unzureichend bekannte Rahmenbedingungen und Eigenschaften haben, derzeit nicht oder nur eingeschränkt möglich.

Dementsprechend können durch die kombinierte Anwendung mit den zu entwickelnden Optimierungsansätzen prozessuale Rahmenbedingungen wie oberflächliche Kühlkanalrichtung und der Einfluss von thermischen Übergängen und Formgeometrien für eine präzise Gussfertigung quantitativ vorab bestimmt werden.

  Bild 1 Überblick über die Ziele des Teilprojekts. Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 1 Überblick über die Ziele des Teilprojekts.   Bild 2 Simulation set-up. Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 2 Simulation set-up.   Bild 3 Heißrissneigung nach dem RDG-Kriterium. Siehe Bild 2 für Set-up. Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 3 Heißrissneigung nach dem RDG-Kriterium. Siehe Bild 2 für Set-up.   Bild 4 Schrumpfung und Verzug innerhalb der F-Form. Siehe Bild 2 für Set-up. Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 4 Schrumpfung und Verzug innerhalb der F-Form. Siehe Bild 2 für Set-up.