News

Fraunhofer IFAM, IWM

Defektesimulation optimiert Gussteilfertigung

Gießereien können durch eine neuentwickelte Simulationsmethode Kosten sparen und den Ausschuss reduzieren. Im Rahmen eines AiF-Projektes haben die Fraunhofer-Institute IFAM und IWM eine Methode zur Modellierung stochastischen Einflüsse auf das Versagensverhalten von Gussteilen entdeckt. Durch Simulation können hierdurch lokale Materialeigenschaften berechnet, Schwächen im Guss identifiziert und der Fertigungsprozess so gezielt optimiert werden.

Die Streuung lokaler Eigenschaften in einer Gusskomponente wird durch die räumliche Variation von Mikrostruktur sowie Anteil und Morphologie von Defekten wie Gas- und Schwindungsporosität bestimmt, die ihrerseits von Gießprozessen und Komponentengeometrien beeinflusst werden. Die Abbildung dieser stochastischen Aspekte des Versagensverhaltens gegossener Bauteile in der Simulation ihres mechanischen Verhaltens war bislang nicht oder nur unzureichend möglich.

Um die Streuung der mechanischen Eigenschaften von gegossenen Bauteilen dennoch abschätzen zu können, wurde ein stochastisches Modell entwickelt, das die örtliche Verteilung der Defekttypen Gas- und Schwindungsporosität über sogenannte Zufallsfelder beschreibt. Mittels dieser Analyse kann die statistische Variabilität der wichtigsten Defektmerkmale für Gießprozess und Werkstoff erfasst und auf FEM-Modelle abgebildet werden. Diese bilden die Basis eines Versuchsplans, der die Auswirkungen zufälliger Verteilungen jeweils für eine vom Anwender vorgegebenen Porengröße und -morphologie in simulierten mechanischen Prüfungen bewertet.

Anhand von Experimenten werden zunächst typische Merkmale von Mikrodefekten mittels Computertomografie und metallografischer Analysen oder auch Gießsimulationen ermittelt. Die Software generiert anschließend verschiedene Versionen stochastischer Defektverteilungen. Für die betreffenden Verteilungen werden dann verschiedene Simulationen durchgeführt und im Hinblick auf die unter Defekteinfluss erzielten mechanischen Eigenschaften analysiert. Die Bewertung einer statistisch relevanten Anzahl an Verteilungen liefert eine Aussage über die zu erwartende Streubreite der Eigenschaften. Porenverteilungen können losgelöst vom Bauteil als repräsentative Volumenelemente oder innerhalb spezifischer Gussteilbereiche erzeugt werden. Im letzteren Fall sind auch virtuelle Bauteilprüfungen möglich.

Der Einsatz der neuen numerischen Methode in Gießereien kann unmittelbar zu einer Verkürzung der Entwicklungsprozesse neuer Komponenten führen. Gleichfalls kann eine Bewertung von Worst- Case-/Best- Case-Szenarien vorgen o m m e n werden. Insbesondere für die Automobilindustrie wird die Vorhersage von möglichen Streuungen von lokalen Eigenschaften einen Beitrag zur Verbesserung der Auslegung von n e u e n St r u k t u rkomponenten bzgl. Sicherheit und Leichtbau leisten. Zukünftig verspricht die Berücksichtigung stochastischer Effekte eine bessere Bewertung von Qualitätsdaten.

www.ifam.fraunhofer.de

www.iwm.fraunhofer.de


Durch die Modellierung statistischer Einflüsse von Mikrodefekten können lokale Materialeigenschaften berechnet und Schwächen in der Gusskonstruktion entdeckt werden. Damit können Ausschuss und Kosten gesenkt werden.

FOTO: FRAUNHOFER IFAM