Forschungsprojekt Wie dünnwandige Bauteile aus GJS leichter werden

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Franke GmbH

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Bisher werden lokal unterschiedliche Materialeigenschaften von dünnwandigen Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) in der Bauteilauslegung nicht berücksichtigt. Im Forschungsprojekt „GJSlim“ wird jetzt an der Entwicklung eines übertragbaren Leichtbaukonzepts zur Nutzung erhöhter zyklischer Beanspruchbarkeiten dünnwandiger GJS-Strukturen mit Hilfe eines Digitalen Zwillings gearbeitet.

Gussstrukturen punkten mit einer hohen Bauteilkomplexität bei niedrigen Produktionskosten und sind daher für die Serienfertigung von funktionsintegrierten Leichtbaustrukturen prädestiniert. Insbesondere Gusseisen mit Kugelgraphit GJS weist für den Leichtbau eine optimale Kombination aus einstellbarer Festigkeit, Duktilität und Steifigkeit auf. Nach aktuellem Stand der Technik finden jedoch lokal unterschiedliche Materialeigenschaften, bspw. aufgrund unterschiedlicher Bauteilwandstärke, keine bzw. nur sehr eingeschränkt Berücksichtigung in der Bauteilauslegung.

Lokale Bauteileigenschaften zur Strukturoptimierung heranziehen

Durch die Kenntnis lokaler Bauteileigenschaften können sich bisher nicht berücksichtigte Möglichkeiten zur Strukturoptimierung mit Fokus auf einer Gewichtsreduktion eröffnen, um das Leichtbaupotential dieser Werkstoffe weiter zu steigern und damit den CO2-Ausstoß während Produktion und Nutzung deutlich zu senken.

Daher fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) in dem Projekt „GJSlim“ die Realisierung besonders dünner GJS-Strukturen mit Wandstärken kleiner als fünf Millimeter und die Ermittlung von technologischen Größeneinflüssen für die Bauteilbemessung sowie den Aufbau eines Gesamtkonzeptes für höchste Werkstoff- und Strukturausnutzung bei GJS mit Hilfe eines Digitalen Zwillings. Die dafür erforderlichen unterschiedlichen Kompetenzen der Disziplinen Gießereitechnik, Strukturleichtbau und Betriebsfestigkeit spiegeln sich in der Zusammensetzung des Konsortiums wider.

Im Projektkonsortium arbeiten die Unternehmen INTES GmbH, Franken Guss GmbH & Co. KG, Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH, Isselguss GmbH Gießereierzeugnisse, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, FONDIUM B.V. & Co. KG, ASK Chemicals sowie das Fraunhofer LBF und die RWTH Aachen mit dem Gießerei-Institut (GI) und dem Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA). Die Projektleitung liegt beim Institut für Strukturmechanik und Leichtbau.

Gestaltoptimierung und lange Lebensdauer

Das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau entwickelt im Rahmen des Vorhabens Methoden zur Gestaltoptimierung dünnwandiger Gussbauteile unter der Berücksichtigung fertigungstechnischer Randbedingungen sowie lokalen Bauteileigenschaften. Des Weiteren wird ein Konzept zur systematischen Überführung von multidisziplinärer Optimierung in Digitale Zwillinge abgeleitet.

Die Wissenschaftler im Fraunhofer LBF ermitteln in „GJSlim“ zyklische Materialeigenschaften für die Ableitung von Erkenntnissen zum technologischen, spannungsmechanischen und statistischen Größeneinfluss von dünnwandigem Gusseisen mit Kugelgraphit. Die Forschenden nutzen simulierte Gefügezustände, gleichen diese mit experimentell ermittelten Erkenntnissen ab und zeigen damit die Einflüsse von Gefügekennwerten und der Erstarrungszeit auf lokale zyklische Bauteilbeanspruchbarkeiten auf.

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