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 ein hohes wirtschaftliches Potential und bildet die Grundlage für eine ressourceneffiziente Fertigung. Trotz des hohen Niveaus in der Gussteilfertigung bieten die etablierten gießtechnischen Fertigungsverfahren noch nicht die Möglichkeit diesem Qualitätskriterium durch gezielte Steuermöglichkeiten im Fertigungsprozess oder Werkstoff gerecht zu werden. Gießen und Erstarren sind komplexe Prozesse, bei denen Steuergrößen und Wirkmechanismen in vielfältiger Weise miteinander wechselwirken. Zudem existieren implizite Abhängigkeiten unter den Wirkmechanismen selbst, wozu die Transportgleichungen für Masse, Wärme, Impuls (Festkörper- und Strömungsmechanik) und Konzentration zählen. Durch das Zusammenspiel von Wärmetransport und anderen Wirkmechanismen entstehen in der Regel große lokale Gefüge- und Eigenschaftsunterschiede.

Das Projektziel besteht darin, die Abhängigkeiten dieser Eigenschaften (Elastizitätsmodul, Gleitmodul, Permeabilität …) zu Mikrostrukturkenngrößen zu erfassen, die lokalen Werkstoffeigenschaften zu modellieren und mit der makroskopischen thermomechanischen Mehrphasensimulation direkt zu verknüpfen, so dass quantitative Verzugsvorhersagen möglich sind. Dies wird durch die Vorhersage thermodynamischer und thermomechanischer Wechselwirkungen mittels neuer mikrostrukturbasierter Kopplungsmethoden zur quantitativen Vorhersage von Gefügefehlern, Verzügen und Eigenspannungen erreicht. Es wird zu diesem Zweck erstmals eine Methode erarbeitet, um ortsaufgelöste und volumengemittelte Mikrostrukturansätze konsistent zueinander zu formulieren. Hiermit kann der Einfluss unterschiedlicher Wechselwirkungseffekte aufgezeigt und analysiert werden. Mit dem so ertüchtigten thermomechanischen Mehrskalenansatz und numerischen Optimierungsverfahren wird anschließend der Verzug eines Kokillengussbauteils mit einem mehrstufigen Ansatz minimiert. Hierzu müssen ebenfalls grundlegende Methoden erarbeitet werden, um aus globalen Bewertungskriterien entsprechende lokale Anfangs-, Rand- und Ablaufbedingungen als Kompensationsmaßnahmen abzuleiten.

Übergeordnete Teilziele sind quantitative Verzugsvorhersagen mit einem thermomechanischen Mehrphasenmodell durch mikrostrukturbasierte Berechnung und Interpolation lokaler Werkstoffeigenschaften, die Entwicklung einer mehrstufigen Optimierungsstrategie zur Minimierung des Bauteilverzugs unter Anwendung des gekoppelten thermomechanischen Modells und die Prognose verzugsoptimierter Gussbauteile durch die Berechnung optimaler Randbedingungen und Werkzeuggeometrien. Mit den zu entwickelnden Modellen soll die Präzision von Gussbauteilen quantitativ vorherbestimmt werden können, was mit den heute bekannten Modellen mangels lokal berechneter und teils auch ungenügend bekannter Randbedingungen und Eigenschaften nicht bzw. nur eingeschränkt möglich ist. Entsprechend können durch die kombinierte Anwendung mit zu entwickelnden Optimierungsansätzen auch Prozessrandbedingungen wie oberflächennahe Kühlkanalführung und Beeinflussung von Wärmeübergängen und Formgeometrien zur präzisen Gussteilproduktion quantitativ vorherbestimmt werden.

 

Thermische Simulation der Erstarrung einer Aluminiumschmelze (A356) in einer temperierten Stahlkokille

Thermische Simulation der Erstarrung einer Aluminiumschmelze (A356) in einer temperierten Stahlkokille.
Zu sehen sind die 3 Phasen:

  • Vorheizen der Form
  • Ersetzen des mit Luft gefüllten Formhohlraums durch eine Aluminiumschmelze
  • Abkühlung/Erstarrung der Aluminiumschmelze in der Form
 
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