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Optimierung von Gießprozessen mit Hilfe numerischer Simulation

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Die ACO Guss GmbH ist eine Gießereigruppe, die aus zwei Gießereien in Deutschland mit Standorten in Kaiserslautern und Aarbergen und einer Gießerei im norditalienischen Mozzanica besteht. Durch ihre breit gefächerte Anlagentechnik ist sie für Serienfertigungen aller Größen ausgerichtet und besonders stark in den Bereichen Maschinenformguss, Handformguss und Strangguss. Bei ACO Guss wird schon seit längerer Zeit die Berechnungssoftware „WIN CAST“ der Firma RWP mit großem Erfolg eingesetzt. Mit der Entwicklung zu immer leistungsstärkeren PC`s besteht mittlerweile auch für alle Gießer die Möglichkeit, kostengünstig und effizient eine Vorhersage über Bauteileigenschaften mittels numerischer Simulation zu treffen.
Mit den in diese Software integrierten Modulen können neben den gießtechnischen Simulationsaufgaben Lasten sowie aus dem Gießprozess resultierende Eigenspannungen berechnet werden. Weiterhin kann die Gefügeausbildung in Abhängigkeit der Legierungselemente sowie der Abkühlgeschwindigkeit im Bereich verschiedener Wandstärken im Gussteil vorhergesagt werden. Lediglich die im folgenden Beispiel mit durchgeführte Berechnung der Temperaturfelder erfordert eine andere Softwarelösung.
Bei dem hier vorgestellten Gussteil, einem Radsatzlagergehäuses für Eisenbahngüterwagons der Firma AWS, wurde das Gießsystem im Vorfeld durch Simulation der Temperaturfelder optimiert. Bedingt durch die Simulation lassen sich so schon in der Planungsphase Fehlerquellen minimieren bis ausschließen, und natürlich folglich auch Kosten einsparen. Das Gussteil wird auf einer LuftstromPress-Formanlage von hws, Bad Laasphe, am Standort Kaiserslautern im Werkstoff GJS 400-18 gegossen. Im Bild 1 sind das Gussteil im Fahrgestell sowie die Geometrie des Gehäuses dargestellt.
Um festzustellen, wo eventuell gießtechnische Probleme am und im Bauteil auftreten können, wurde die Geometrie auf Materialanhäufungen und sonstige potentielle, gießtechnische Problembereiche analysiert. Hier galt es abzuklären, inwieweit durch konstruktive Änderungsvorschläge an den Kunden diese Problembereiche bereits vor dem Gießprozess beseitigt werden können. Dies war in diesem Fall jedoch nicht möglich, da aus funktionstechnischer Sicht im Bereich der zu erwartenden Fehlstellen keine Geometrieveränderungen vorgenommen werden konnten.
Als Voraussetzung für die Simulation wurde nun ein 3D-Datensatz des Bauteils nach entsprechender Zeichnung des Kunden erstellt und anschließend die Abmessungen der Einzelteile des Gießsystems (Anschnitte, Läufe, Einguss usw.) auf die Gegebenheiten des Gussteils ausgelegt, modelliert und mit dem bereits vorbereiteten 3D- Modell zur kompletten Gießtraube verbunden (Bild 2). Besonders zu beachten waren hier die Positionen und Anzahl der exothermen Speiser im Bereich der potentiellen Fehlstellen.
Anschließend erfolgte die Übergabe der Geometriedaten an das Vernetzungsmodul der Berechnungssoftware. Der hier notwendige Arbeitsschritt bestand aus dem Vernetzen des kompletten Bauteils einschließlich der Modellierung der Gießform. Das heißt, das Bauteil musste in jeweils einzelne Schichten und Elemente mit entsprechenden Knoten unterteilt werden. Den Einzelteilen der Gießtraube (Gussteil, Einguss, Kern, Filter usw.) wurden jeweils separate Stoffnummern zugeteilt, welche bei der anschließenden Berechnung zum Zuweisen der entsprechenden spezifischen, physikalischen Stoffdaten dienten. Im Bild 3 ist die vernetzte Gießtraube abgebildet.
Die im Anschluss durchgeführte Berechnung der Temperaturfelder wurde mit einer angenommenen Gießtemperatur von 1410 °C durchgeführt. Nach Auswertung der Ergebnisse zeigte sich, dass im Bereich der höheren Wandstärken im Bauteil erstarrungsbedingte Fehlstellen zu erwarten sind (Bild 4). Mit Hinblick auf diese Berechnungsergebnisse wurden die Speiser (ober- und stirnseitig) am 3DModell entfernt und auf der Oberseite im Bereich des Innenrings zwei exotherme Speiser mit größerem Modul platziert. Auf den Speiser stirnseitig wurde komplett verzichtet (Bild 5).
Die anschließende Temperaturfeldberechnung erfolgte mit einer zur ersten Berechnung reduzierten Gießtemperatur von 1360 °C. Alle sonstigen Randbedingungen sowie die physikalischen Stoffdaten blieben unverändert. Das Ergebnis dieser Berechnung zeigte, dass die vorher vorhandenen Fehlstellen in den kritischen Bereichen des Bauteils nicht mehr vorhanden waren (Bild 6).
Nachdem die Modelleinrichtung entsprechend den bei der Simulation verwendeten Randbedingungen gefertigt war, konnte das Ergebnis der Berechnung bereits bei Auswertung des ersten Abgusses bestätigt werden. Dies machte viele zeitund kostenintensive Probeabgüsse überflüssig.
Aus den Erfahrungen der Gießerei in den letzten Jahren bezüglich der Optimierung von Gießprozessen mittels Berechnungssoftware lässt sich folgendes zusammenfassen: Gepaart mit dem Wissen und der Kompetenz der Gießerei bietet die Simulationssoftware die Möglichkeit, schnell und sicher Vorhersagen über Bauteileigenschaften aus dem Gießprozess sowie die mechanischen Eigenschaften zu treffen. Mit dem Hilfsmittel der Simulation können bereits in der Entwicklungsphase Geometrien von Bauteilen im Hinblick auf den späteren Gießprozess sowie Einsatzbereich optimiert werden. Dies bewirkt auch nicht selten eine erhebliche Reduzierung des Gussgewichts. Insbesondere die Unterstützung des Kunden bei der Planung und Entwicklung von Bauteilen mit dem in der Gießerei vorhandenen Equipment und Know-how ist in dem Prozess der Bauteilentwicklung immer mehr gefragt.

Mit freundlicher Genehmigung von konstruieren + gießen / 32 (2007) Nr. 1