Simulation Das Design von Stahlgussteilen optimieren

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Warmrisse sind ein wesentliches Qualitätsproblem im Stahlguss. Mit virtueller Versuchsplanung und Gießprozess-Simulation können sie jedoch verhindert werden.

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Warmrisse im Stahlgussteil entstehen durch Schwindungsbehinderung während und nach dem Erstarrungsprozess.
Warmrisse im Stahlgussteil entstehen durch Schwindungsbehinderung während und nach dem Erstarrungsprozess.
(Bild: Magma Gießereitechnologie)

Bei Eagle Alloy, einer der führenden Stahlgießereien in Amerika, kam es bei der Fertigung eines Stahlgussteils zu Rissen. Diese entstanden aufgrund von im Gussstück auftretender Spannungen durch Schwindungsbehinderung während und nach dem Erstarrungsprozess. Notwendige kosten- und zeitintensive Schweißreparaturen führten dazu, dass das Bauteil auf Dauer nicht wirtschaftlich herzustellen war.

Zur Vermeidung des Fehlerbildes wurden alle Freiheitsgrade untersucht, die für eine Optimierung zur Auswahl standen. Dies betraf in diesem Fall sowohl die Bauteilkonstruktion als auch die Anpassung der Gießtechnik. Um das Ziel so effektiv wie möglich zu erreichen, wurde auf kosten-und zeitintensive Realversuche verzichtet und die neue Methodik der virtuellen Versuchsplanung und autonomen Optimierung mithilfe der Gießprozess-Simulation gewählt. Um den Erfolg messbar zu machen, wurden die Rissneigung wie auch auftretende Porositäten als Qualitätskriterien ausgewählt und quantitativ bewertet.

Virtuelle Versuche zur Rissneigung

Im Rahmen der Konzeptionierung wurden 12 unterschiedliche Varianten konstruiert. Hierzu wurden sowohl die Gussteilgeometrie, die Gussteillage als auch die Speiserkonfiguration variiert. Die Änderungen wurden in einem Versuchsplan (DoE) in der Gießprozesssimulationssoftware Magma5 abgebildet. In den virtuellen Versuchen wurden Erstarrung und Abkühlung des Gussteils bis auf Raumtemperatur inklusive der dabei entstehenden Spannungen und Rissneigung autonom berechnet und vorhergesagt. Die Software lieferte die vollautomatische Bewertung der jeweiligen Qualitätskriterien für Speisung und Warmrissneigung in speisungskritischen und rissgefährdeten Bereichen.

Für die Auswertung der virtuellen Experimente nutzten die Ingenieure die in Magma5 implementierten statistischen Werkzeuge. Dies ermöglichte eine quantitative Bewertung aller Designs, um eine mögliche optimale Fertigungstechnik, die zu robusteren Lösungen führt, zu ermitteln. In einem direkten Vergleich der unterschiedlichen Designs wurden die gegenläufigen Trends von Porosität und Rissbildung deutlich: Wie erwartet trat bei einer optimalen Speisung mit minimaler Porosität die stärkste Tendenz zur Rissbildung auf. Dies lag an den verlängerten Erstarrungszeiten und erhöhten Temperaturunterschieden zwischen Gussteil und Speisern. Mithilfe der Simulationsergebnisse konnte jedoch eine Lösung gefunden werden, die einen guten Kompromiss lieferte.

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Der Vergleich der Ergebnisse zwischen der Ausgangssituation und dem besten Design zeigte, dass nur durch geometrische Änderungen sowohl im Gussteil als auch in der Speisungstechnik die auftretenden Spannungen und die Porosität gleichzeitig deutlich reduziert werden konnten.

Mit der neuen Lösung konnten die Spannungen und plastischen Verformungen im kritischen Erstarrungsbereich um 61 % vermindert werden. Dabei erlaubte die Auswertung in Magma5 eine quantitative Bewertung der einzelnen Maßnahmen: Die fertigungstechnischen Veränderungen führten zu einer Reduzierung um 30 %, während die angepasste Gussteilgeometrie die Spannungen und auftretenden Dehnungen um 44 % reduzierte.

Aufgrund der positiven Ergebnisse konnten sowohl Magnetpulverprüfungen als auch Bearbeitungsaufwand drastisch reduziert werden. Die Berechnung der 12 Versionen wurde auf einer Workstation durchgeführt und dauerte insgesamt 22,5 Stunden. Die Durchführung praktischer Versuche für jede dieser 12 Versionen hätte mehrere Wochen in Anspruch genommen und dabei inakzeptable Material- und Lohnkosten verursacht.

Die systematische Nutzung des virtuellen Experimentierfeldes in Magma5 war der Schlüssel für eine spezifikationsgerechte und wirtschaftliche Fertigung des Gussteils bei Eagle Alloy. (qui)

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