Forschung und Innovation

Gießprozess-Simulation und bruchmechanischer Nachweis – aktueller Stand und Ausblick
Corinna Thomser, Peter Langenberg, Pawel Kucharczyk und Jörg C. Sturm, Aachen

Dieser Beitrag beschreibt eine neue Methodik zur Integration der Gießprozess-Simulation in den bruchmechanischen Nachweis für Eisengussteile. Diese Arbeit beruht auf der Empfehlung der VDMA-Leitlinie 23902 zur Nutzung der Gießprozess-Simulation bei der Herstellung von Planetenträgern für Windenergieanlagen – Gießprozess-Simulation für eine Sicherheitsbeurteilung. Als Beispiel diente ein typischer Planetenträger aus GJS-400. Die Bruchzähigkeit wurde aus Korrelationen zwischen dem simulierten lokalen Gefüge und den mechanischen Eigenschaften abgeleitet. Auf Grundlage der Porositätsvorhersage aus der Gießprozess-Simulation wurde eine Annahme zur Rissgröße getroffen. Die typische Belastung eines Planetenträgers wurde mit den aus der Gießprozess-Simulation resultierenden Eigenspannungen überlagert. Der bruchmechanische Nachweis wurde für typische Belastungsfälle geführt. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, wie die virtuelle Prozessauslegung und der Nachweis der Bauteilintegrität in ein gemeinsames Konzept zusammengeführt werden können. Damit können durch den Einsatz der Gießprozess-Simulation der Materialeinsatz bereits in der Auslegungsphase optimiert und neues Leichtbaupotenzial erschlossen werden.

Simulierte Bruchzähigkeit, Ji,SZW in N/mm, niedrigster vorhergesagter Bruchzähigkeitswert (konservativer Ansatz). Bild: MAGMA

Niedrige Produktionskosten, endabmessungsnahe Produktion und ein großes Spektrum an Festigkeiten bei hoher Duktilität sind die bekannten Vorteile von Gusseisenwerkstoffen. Herausragende Beispiele für Gusseisenprodukte findet man im Motorenbau und auch in Form von großen Bauteilen für Windenergieanlagen. All diese Produkte müssen höchste Ansprüche hinsichtlich ihrer Lebensdauer erfüllen.

Insbesondere bei Windkraftanwendungen ist neben Defekten, die die Wahrscheinlichkeit von Ermüdungsbrüchen erhöhen, auch der Widerstand gegen plastisches Versagen und insbesondere gegen Sprödbruch zunehmend Gegenstand der Diskussion. Für Planetenträger wird häufig Gusseisen des Typs GJS-700 eingesetzt, das über hohe Festigkeit verfügt, jedoch geringe Duktilität und Zähigkeit aufweist. Die VDMA-Arbeitsgruppe „Planetenträger“ hat sich mit der Frage beschäftigt, wie die Zähigkeitsanforderung für diese Bauteile definiert werden kann und eine entsprechende VDMA-Leitlinie erstellt. Diese Leitlinie beinhaltet zwei unterschiedliche numerische Nachweismethoden, die für eine gezieltere Auslegung eingesetzt werden können:

  • 1. die Gießprozess-Simulation und
  • 2. die bruchmechanische Berechnung.

Im Hinblick auf herstellungsbedingte und unvermeidbare kritische Bereiche in einem Planetenträger, die zudem sehr hohen Gebrauchsbelastungen unterliegen können, ermöglichen bruchmechanische Methoden, wie sie zum Beispiel der Britische Standard BS 7910 beschreibt, eine Bewertung der Bauteilintegrität unter Verwendung der Risszähigkeit des Werkstoffs. Ziel der hier vorgestellten Untersuchung ist die Nutzung der Ergebnisse aus der Gießprozess-Simulation zur Vorhersage von lokalen mechanischen Eigenschaften, insbesondere der üblicherweise nicht verfügbaren Eingangsgrößen „Risszähigkeit“ und lokale Festigkeiten. Darüber hinaus können mögliche Abmessungen eines Defekts in dem Bereich mit höchsten kritischen Belastungen für den bruchmechanischen Nachweis aus den Simulationen abgeleitet werden. Dazu wird die Möglichkeit zur Vorhersage lokaler Porosität aus der Gießprozess-Simulation genutzt. In einem zweiten Schritt wird diese Information als Eingangsgröße für die Ableitung einer Rissgeometrie verwendet, die für den bruchmechanischen Nachweis notwendig ist. Schließlich können neben den äußeren Belastungen auch die intern entstandenen Eigenspannungen aus dem Gießprozess in die Berechnungen für den bruchmechanischen Nachweis einbezogen werden.


Dr.-Ing. Corinna Thomser, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen, Prof. Dr. Peter Langenberg und Dr.-Ing. Pawel Kucharczyk, IWT-Solutions AG, Aachen, Dr.-Ing. Jörg C. Sturm, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen


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pdf-Datei aus "GIESSEREI SPECIAL" Heft 2/2017 Seiten 44-53
© Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf
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