Fachartikel

Innovatives Produktdesign und robuste Prozessauslegung durch virtuelles Experimentieren mit der Gießprozess-Simulation
von Horst Bramann und Lubos Pavlik, Aachen

Mehr als fünfundzwanzig Jahre nach der Einführung von Simulationssoftware für Gießereien ist die Gießprozess-Simulation ein akzeptiertes Werkzeug für die Bauteilauslegung und Prozessgestaltung von Gussteilen. Sie ermöglicht die Quantifizierung von Erfahrungswissen und liefert Einblicke in die Ursache von Fertigungsproblemen. Jede einzelne Simulation ist ein virtuelles Experiment. Daher kann, wie auch in der Praxis, ein einzelner virtueller Versuch dem Experten nicht aufzeigen, wie robust sein Entwurf ist und ob er unter den gegebenen Bedingungen das Optimum darstellt.

Unterschiedliche Optimierungsmethoden zur Ermittlung des besten Designs.
Bild: Unterschiedliche Optimierungsmethoden zur Ermittlung des besten Designs. Grafik: MAGMA

An konkreten industriellen Beispielen aus dem Automobilguss wird in diesem Beitrag gezeigt, wie die Verknüpfung statistischer Versuchsplanungstechniken mit der Gießprozess-Simulation mit MAGMA5 zu einem virtuellen Versuchsfeld eingesetzt werden kann, um robuste Fertigungsfenster einzustellen und verschiedene Optimierungsziele automatisiert zu verfolgen. Für das Beispiel eines Aluminium-Zylinderkopfes wird vorgestellt, wie potenzielle Ursachen für einen Oxideintrag im Schwerkraftkokillengießverfahren mit Hilfe des virtuellen Experimentierens systematisch analysiert und Verbesserungsideen für die Gestaltung relevanter Bestandteile des Gießsystems bereits im Vorfeld einer Realisierung effektiv überprüft werden können. Neben der Ermittlung einer konkreten Lösung unterstützt die neue Methodik ein umfassendes Prozessverständnis durch transparente Erkenntnisse über die quantitativen Zusammenhänge von Prozessvariablen und Qualitätskriterien.

An einem zweiten Beispiel, einem Aluminium-Kurbelgehäuse mit eingegossenen Laufbuchsen, wird mit einem virtuellen Versuchsplan aufgezeigt, welche Fertigungsparameter den größten Einfluss auf die Anbindung des Aluminiums an die Laufbuchsen, die Feinheit des Gefüges im Schraubenbereich sowie die Eigenspannungen im Stegbereich besitzen. Basierend auf diesen virtuellen Experimenten können optimale Fertigungsparameter berechnet und ein robustes Prozessfenster unter Berücksichtigung einer typischen Fertigungsstreuung ermittelt werden.

Die beiden Beispiele zeigen, wie virtuelle Gießversuche sowohl produktspezifisches als auch -übergreifendes Wissen zu Korrelationen zwischen Fertigungsparametern und Qualitätsmerkmalen des Gussteils durch systematische Überprüfung unterschiedlicher Varianten generieren. Dieses Wissen ist die Basis für effizientes „Front-Loading" und realisiert, durch frühzeitig abgesicherte Auslegung robuster Produkte und Fertigungsabläufe, einen wichtigen Baustein für die Vision eines vollständig integrierten CAE-Entwicklungsprozesses, bei dem Gussteil und Gießprozess simultan optimiert werden.

Dr.-Ing. Horst Bramann und Dr.-Ing. Lubos Pavlak, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen


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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 3/2015 Seiten 28-39
© Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf
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