Gusssimulation Wie der Sprühprozess die Gussteil-Lebensdauer beeinflusst

Im Druckguss ist die Lebensdauer des Werkzeugs einer der Hauptkostenfaktoren. Die virtuelle Versuchsplanung kann dabei helfen die Haupteinflussgrößen zu identifizieren, wie folgendes Beispiel der italienischen Gießerei Mazzucconi zeigt.

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Die italienische Gießerei Fonderie Mario Maccuzzoni S.p.A. stellt Komponenten aus Aluminiumlegierungen her, die im Schwerkraft-, Niederdruck- oder Hochdruckdruckguss gegossen werden. Ein Lenkgetriebe gehört dabei zu einem schon seit längerem produzierten Gussteil. Allerdings blieb die Werkzeugstandzeit hinter den Erwartungen zurück. Versuche die Geometrie am Bauteil zu ändern waren aufgrund der Serienfreigabe keine Option.

Mit der virtuellen Versuchsplanung des Softwareanbieters Magmasoft sollte die Haupteinflussgrößen des Prozesses auf die Formlebensdauer identifizieren und den Gießprozess entsprechend anpassen. Es stellte sich heraus, dass die thermomechanische Spannungen an der Formoberfläche und der damit verbundene Verschleiß zu den größten Einflussfaktoren auf die Formlebensdauer zählen. Diese Spannungen entstehen durch Temperaturwechsel im Gießzyklus. Mazzucconi entschied sich, die folgenden Parameter zu untersuchen:

• Abstand der Temperierkanäle zur Formoberfläche

• Durchmesser der Temperierkanäle

• Temperatur des Temperiermediums

• Abgusstemperatur

• Sprühprozess

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Ersatzgeometrie minimiert Simulationsaufwand

Für jeden der fünf Parameter wurde ein eigener Versuchsplan aufgesetzt. Die Gießerei setzte das Simulationswerkzeug Magmasoft ein. Dieses soll die Gussteilqualität verbessern, die Prozessbedingungen optimieren und Fertigungskosten reduzieren. Mit der Softwarelösung Magmadielife sollte zudem die Formlebensdauer in der Form abgeschätzt werden. Um den Simulationsaufwand zu minimieren, wurde eine Ersatzgeometrie konstruiert. Diese besitzt vergleichbare Charakteristiken wie das originale Lenkgehäuse.

Bei der Untersuchung wurde zunächst der Status Quo des existierenden Prozesses simuliert und mit dem realen Schadensbild am Bauteil verglichen. Dabei zeigt sich, dass am Abguss sichtbaren Risse in der Form erkennbar waren.

Um den Abstand des Kühlkanals zur Formüberfläche zu untersuchen, wurden neben dem Ausgangszustand drei Variationen mit den Abständen 3d, 5d und 7d definiert. Zusätzlich wurde eine Variante mit abgeschalteter Formtemperierung simuliert.

Faktor Abstand der Kühlkanäle zur Oberfläche

Die Ergebnisse zeigen, dass je größer der Abstand von Kühlkanal zur Oberfläche ist, die Lebensdauer abnimmt. Dabei nimmt die Temperatur der Oberfläche zu Beginn des Sprühens zu. Durch die höhere Formtemperatur erzeugt das Sprühen einen höheren Temperaturgradienten, der zu höheren Zugeigenspannungen in der Formoberfläche führt.

Dagegen ändert sich die Druckspannung zu Beginn der Erstarrung kaum. Insgesamt nimmt die Spannungsamplitude zwischen den Zugspannungen während des Sprühens und den Druckspannungen beim Füllen/Erstarren mit zunehmendem Abstand der Kühlung zur Formoberfläche zu. Durch die zunehmende Belastung reduziert sich die Formlebensdauer.

Der virtuelle Versuchsplan zum Prozessparameter Durchmesser der Temperierkanäle hatte im untersuchten Bereich keinen Einfluss auf die Formlebensdauer. Da sich die mittlere Formtemperatur nicht ändert, ändert sich auch nicht die maximalen Spannungen beim Sprühen und beim Füllen/Erstarren.

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Spannungs-Schwingbreite reduziert sich bei kälterem Kühlmittel

Die Temperatur des Kühlmediums hingegen hat im untersuchten Bereich einen deutlichen Einfluss auf die Formlebensdauer. Dieser Effekt lässt sich dadurch erklären, dass die Form mit kälterem Kühlmedium im Mittel kälter ist. Dies führt wiederum zu einem reduzierten Temperaturschock beim Sprühen und somit zu geringeren Zugspannungen. Der Temperaturanstieg der Formoberfläche während des Füllens/Erstarrens hingegen bleibt annähernd gleich, wodurch das Niveau der Druckspannungen auch annähernd identisch ist. Insgesamt reduziert sich die Spannungs-Schwingbreite mit niedrigerer Temperatur des Kühlmediums.

Wird die Gießtemperatur reduziert, minimiert sich beides: die Zugspannungen beim Sprühen und die Druckspannungen beim Füllen/Erstarren. Die Folge: die Lebensdauer nimmt zu. Doch warum ist das so? Durch die verringerte Abgusstemperatur reduziert sich die mittlere Formtemperatur. Dadurch ist der Temperaturschock beim Sprühen kleiner. Ebenso wird durch die kältere Schmelze der Temperaturgradient beim Füllen/Erstarren verringert. Die Variation des Formsprühens zeigte, dass mehrere kleine Sprühstöße geringere Zugspannungen in der Formoberfläche erzeugen als ein intensiver Sprühstoß.

Temperaturschock beim Sprühen möglichst gering halten

Die verschiedenen Untersuchungen verdeutlichen, je nachdem wie der Sprühprozess gestaltet wird, hat dies den größten Einfluss auf die Formlebensdauer. Das Ziel muss daher sein, den Temperaturschock beim Sprühen möglichst gering zu halten. Auf dieser Basis wurden neue Prozessparameter für das Serienteil definiert:

• Wo immer möglich, werden Kühlkanäle näher an die Oberfläche gelegt, um die Oberflächentemperatur vor dem Sprühen geringer zu halten.

• Die Kühlkanaltemperatur wird reduziert.

• Die Gießtemperatur wird so weit wie möglich reduziert.

• Der Sprühprozess wird auf einen intermittierenden Sprühstoß (mit mehreren kleinen Sprühstößen) umgestellt

• Gleichzeitig wurde im Prozess auf ein wasserfreies Sprühen umgestellt

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