Kokillenguss

Teilprojekt Q1 im Sonderforschungsbereich 326

Projektdauer: 1986 - 1988, 1988 - 1991, 1992 - 1994,
1994 - 1996, 1996 - 1998, 1999 - 2002.

Projektleitung: Dr. rer. nat. D. Windelberg,
Prof. Dr. rer. nat. Ernst Stephan

Mitarbeiter: Dr. Katrin Kahlen, Florian Leydecker

Ziele

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 326 werden Verfahren zur Qualitätsprüfung entwickelt, die während des Herstellungsprozesses eingesetzt werden können. Damit soll erreicht werden, dass fehlerhafte Bauteile frühzeitig erkannt und dann aus dem Produktionsprozess entfernt werden. - In dem hier bearbeiteten Projekt werden seit 1986 mathematische Verfahren zur Beurteilung der Qualität beim Leichtmetallkokillenguss entwickelt und in Zusammenarbeit mit zwei Projekten des Maschinenbaus erprobt: es wird die Entstehung von typischen Gußssfehlern untersucht. Der Erstarrungsvorgang wird mathematisch wie folgt simuliert:

1. Einfüllen des flüssigen Gießmaterials.
2. Schrumpfung und Erstarrung beim Übergang flüssig - fest.
3. Schrumpfung und Abkühlung auf Raumtemperatur.

Die Zwischenergebnisse aus dieser Rechnung dienen der Berechnung der zu erwartenden Qualität, insbesondere im Hinblick auf mögliche Lunker und Poren. Die Qualität wird durch einen Qualitätsvektor beschrieben, dessen einzelne Komponenten als Qualitätszahlen die Gussteilqualität bewerten.

Allgemeine Informationen zum Teilprojekt Q1

Teilprojekt Q1 beschäftigt sich mit der mathematischen Modellbildung der im SFB 326 untersuchten Fertigungsprozesse sowie der Auswertung von Mess- und Simulationsergebnissen.

Einen Schwerpunkt bildet die Qualitätsbewertung von Leichtmetallgussteilen. Beim Abkühlen der Metallschmelze in der Gussform können sich Fehler wie Risse, Poren oder Lunker (Hohlräume) ausbilden, die die Qualität des erstarrten Gussteils beeinflussen. Art und Umfang dieser Qualitätsmängel hängen von der Geometrie und Temperatur der Gussform, der Temperatur des flüssigen Metalls beim Eingießen, Materialeigenschaften und vielem mehr ab.
Ein Ziel dieses Projektes ist es, aufgrund mathematischer Berechnungen zum Gießprozeß Vorhersagen über die Gussteilqualität zu treffen. Dazu wird das Erstarrungsverhalten der Metallschmelze mathematisch simuliert. Ergebnis der Rechnung ist für viele Zeitschritte eine Temperaturverteilung über Gussteil und Gussform (Pfeil "Modellbildung" in der Graphik ).

In Zusammenarbeit mit den Teilprojekten C1 und C2 dieses Sonderforschungsbereiches wird in einer speziell für dieses Forschungsvorhaben konzipierten Gussform serienmäßig gegossen. Während des Eingusses und beim Abkühlen können dabei die jeweils im Gussteil und in der Gussform entstehenden Temperaturverteilungen gemessen werden. Eine Röntgenkamera beobachtet während des Giessens das Entstehen von Volumenfehlern. Durch Vergleich dieser Messdaten mit den Simulationsergebnissen werden Theorie und Praxis einander angepasst, so dass die theoretischen Rechnungen das tatsächliche Erstarrungsverhalten angemessen beschreiben.

Um Gussteilqualität beurteilen zu können, müssen die berechneten Temperaturverteilungen ausgewertet werden (Pfeil "Auswertung" in der Graphik ). Dazu stellen in der mathematischen Simulation neu entwickelte Kriteriumsfunktionen einen Zusammenhang zwischen dem Erstarrungsverlauf und der Fehlerentstehung im Gussteil her. Beispielsweise wird untersucht, wie sich Nachspeisung und Schrumpfung auf die Lunkerbildung auswirkt. Jede Kriteriumsfunktion bewertet die Gussteilqualität durch eine Qualitätszahl. Bezüglich des Qualitätsmerkmals "Lunkerfreiheit" werden mehrere Qualitätszahlen für ein Gussteil berechnet und als Komponenten im Qualitätsvektor zusammengefasst. Wie durch ein "Zeugnis" mit den Qualitätszahlen als "Noten" kann so die Gussteilqualität umfassend bewertet werden (Pfeil "Bewertung" in der Graphik ).

In der mathematischen Simulation können verschiedene Gießparameter als "Anfangs-" oder "Randbedingungen" variiert werden. Daher kann zum Beispiel untersucht werden, wie sich Änderungen der Eingießtemperatur auf die Qualitätszahlen auswirken. Ob und wann Parameterschwankungen zu einer "signifikanten" Änderung der Gussteilqualität führen, ist Gegenstand aktueller Forschung. Ziel ist es, Gießparameter so zu regeln, dass auch bei vielen aufeinanderfolgenden Abgüssen das Gussteil einen vorgeschriebenen Qualitätsstandard einhält.

Neben der Zusammenarbeit mit Instituten der Ingenieurwissenschaften wird in diesem Teilprojekt ein enger Industriekontkakt gepflegt. Dadurch können die mathematischen Verfahren für den praktischen Einsatz qualifiziert werden.

Zeitschriftenartikel "Kenngröße zur Bestimmung der Qualität von Gussteilen"

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