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Simulationsgestützter Druckguss

Die Grenzen mit IT verschieben

Druckguss ist die Fertigungstechnik der Wahl für die Massenproduktion von Leichtbaukomponenten aus Metallen, insbesondere aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Leistungsfähige Simulationsanwendungen unterstützen Anwender dabei, die Einsatz­szenarien für Druckgrusstechnologie immer weiter auszudehnen.



Bild: CD-adapco

Unter Druckgussverfahren versteht man den Prozess, bei dem ein Flüssigmetall unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit mittels eines Metallkolbens in eine Kavität gepresst wird. Dieses Verfahren ermöglicht es, sehr dünnwandige Gussteile mit reproduzierbarer Produktqualität herzustellen. Die Mehrzahl der Druckgussteile wird für die Automobilindustrie gefertigt, aber auch in der Unterhaltungselektronik wird die Technologie gerne eingesetzt. Bis vor kurzem wurde das Druckgussverfahren zwar mit der Fertigung von minderwertigen Teilen und Komponenten mit unzureichenden Struktureigenschaften in Verbindung gebracht, eine bessere Prozesskontrolle und neue Legierungen haben diese Wahrnehmung jedoch verändert. Es ist nun möglich, aushärtbare Bauteile zu nutzen und Druckgussteile als Strukturkomponenten zu verwenden.

Herausforderungen beim Druckgießen

Die häufigsten Fehlerarten bei Druckgussteilen sind Porositäten, Kaltläufe und Gaseinschlüsse. Dabei sind Gaseinschlüsse und Kaltläufe am schwierigsten zu vermeiden und moderne Simulationsstrategien haben häufig Schwierigkeiten, angemessene Lösungen zu liefern. Probleme treten auf, weil der Formfüllungsprozess nur unzureichend verstanden wird. Dadurch wird die Entwicklung effizienter Formen erschwert, bei denen einerseits Materialüberschüsse zu vermeiden sind, andererseits aber zugleich die Haltekraft der Druckgussmaschine beachtet werden muss. Darüber hinaus können Gaseinschlüsse zur Blasenbildung während der Hitzebehandlung führen, was die Bauteile zur Verwendung als Strukturkomponenten nutzlos macht oder ein zu intensives Entgraten an Stellen erfordert, an denen das Erscheinungsbild des Bauteils kritisch ist.

Strömungseigenschaften simulieren

Simulationssoftware wie Star-Cast von CD-Adapco kann bei diesen Herausforderungen helfen. Das Unternehmen wurde Anfang 2016 von Siemens übernommen und in das PLM-Geschäft der Division Digital Factory integriert. Das Gießsimulationsmodul verbindet aktuelle Strömungssimulationstechnik (CFD) mit Modellen, wie sie im Druckguss verlangt werden und kann dabei ein hohes Maß an Präzision erreichen. Es lassen sich damit strömungstechnische Probleme berechnen, um die Gießprozesse insgesamt besser zu verstehen. Dafür werden sowohl die Kolbenbewegungen als auch mögliche Fehler bei der Gießkurvengestaltung früh im System dargestellt.

Wechselwirkung von Metall und Luft

Viele Gussteile müssen nachträglich wärmebehandelt werden und Gaseinschlüsse im Metall können zu unerwünschter Blasenbildung führen. Mittels genauer Simulationen der Luft- und Gaseinschlüsse während des Füllprozesses lassen sich Dichtigkeits- und Gasporositätsprobleme früh erkennen. Die Software stellt die Wechselwirkung zwischen dem geschmolzenen Metall und der Luft dar. Dafür modelliert es die Luft als eine separate Phase, die im geschmolzenen Metall verschoben oder eingeschlossen werden kann, und die sich ihren Weg entweder zu einer geeignen Luftbohne oder Entlüftung bahnt. Oder aber verdichtet wird und in den kritischen Bereichen des Gussteils bleibt. In der Software Star-Cast verfolgen die Hersteller den Ansatz der Kontinuumsmechanik verfolgt und sie ermöglicht, die Luft- und die Schmelzströme im Innern der Kokille exakt zu berechnen. Der dafür erforderliche Berechnungsaufwand ist etwas höher, führt aber zu einer zuverlässigen Analyse der Formfüllung.

Geometrien und Rechengitter darstellen

Bei der Analyse des Formfüllungsprozesses müssen die Erfassung geometrischer Einzelheiten und die Diskretisierung der Geometrie den Temperatur- und Geschwindigkeitsgradienten in den Druckgussteilen Rechnung tragen. Da ein hochauflösendes Rechengitter den Einblick in die physikalischen Phänomene liefert, sind die passenden Methoden zu ihrer Erzeugung der Schlüssel, um die gewünschte Auflösung zu erreichung. Gleichzeitig lässt sich die Anzahl der Zellen und der Rechenaufwand an dieser Stelle bedarfsgerecht reduzieren. DIe Anwendung von CD-Adapco ermöglicht beispielsweise die Verwendung mehrerer Zellenschichten auf dünnen Bauteilabschnitten und die rasche Erhöhung der Gitterdichte von diesen Stellen aus hin zu den Bereichen, an denen eine geringereGitterdichte weniger kritisch ist. Das System arbeitet dabei mit der ‘CAD to mesh Pipeline’-Technologie von Star-CCM+. Diese liefert automatisch erstellte, an die Gegenstandsform angepasste Vielflächengitter mit prismatischen Schichten. So lässt sich das Strömungsverhaltens und die Temperaturgradienten ermitteln, die beim Gießen auftreten.

Umgang mit Design-Änderungen

Kurze Designzyklen erfordern Simulationsprozesse, die sich auch in letzter Minute an Änderungen anpassen lassen. Der Umgang mit großen CAD-Baugruppen, von denen die Simulation nur auf eine Teilbaugruppe angewendet werden soll, stellt eine Herausforderung für den Druckgusstechniker dar. Die betroffenden Bauteile müssen extrahiert und in das Simulationspaket übertragen werden. Gängige neutrale Dateiformate ermöglichen zwar einen zuverlässigen Geometrie-Transfer, sind jedoch oft weniger flexibel bei Design-Änderungen und erleiden Datenverluste bei der Übertragung aus dem nativen CAD-Format. Diesem Problem begegnen die Softwarehersteller in ihrem SImulations-Werkzeug, indem Techniker die Datenformate verwenden können, die im entsprechenden ‘CAD-to-Simulation’-Gesamtprozess verwendet werden. Es wird jedoch empfohlen, so lange wie möglich den nativen CAD-Prozess zu nutzen, da er einen leichten Bauteilwechsel und eine raschere Design-Bewertung mit weniger Benutzerinteraktion ermöglicht.

Grenzen ausdehnen mit Automatisierung

Anwender sollten ihre Zeit dafür nutzen, die Ergebnisse der Simulationen zu interpretieren und Entscheidungen zur Verbesserung des Prozesses zu treffen, anstatt Simulationen manuell erstellen zu müssen. Dafür bringt das System Workflow-Funktionen mit, die bei der Einrichtung der Simulationen helfen und Prozessänderungen beschleunigen. Zusamen mit seinen Möglichkeiten zur Parallelverarbeitung ist die Anwendung darauf ausgelegt, den Anwendern die Freiheit zu verschaffen, Modelle ständig weiter zu verfeinern und bessere Ergebnisse zu erzielen. Derzeit zeigt sich, dass die Grenzen der Druckgusstechnologie − auch mithilfe der passenden Software − noch lange nicht in Sicht sind.


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