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Inceight Casting

Interdisziplinäres Forum für Guss

Der Kongress „InCeight Casting” ließ sich sein Debüt trotz Pandemie nicht nehmen. Statt einer Präsenzveranstaltung bot Veranstalter Fraunhofer LBF Anfang März ein gut vorbereitetes und hochkarätig besetztes virtuelles Event, bei dem die Teilnehmer vom PC aus Vorträge und Podiumsdiskussion verfolgen und zugleich in Chatrooms und Networking-Areas ihr Netzwerk pflegen konnten. Die rund 90 Teilnehmer kamen etwa zu gleichen Teilen aus den Bereichen Gießereien, Gussanwender und Forschung.

Mit dem künftig alle zwei Jahre stattfindenden Kongress In- Ceight hat das Darmstädter Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF vom 2.-3. März für einige Aufmerksamkeit in der Branche gesorgt. Ambitioniertes Ziel war es, erstmals einen interdisziplinären Erfahrungsaustausch aller am Produktlebenszyklus für Gussbauteile beteiligten Disziplinen anzustoßen und so Optimierungen von Prozessen und Produkten zu erreichen. Das Programm war deshalb in die Fachbereiche Konstruktion und Produktentwicklung, Betriebsfestigkeit, Gießereitechnik und Zerstörungsfreie Prüfung unterteilt. Viele Beiträge kamen aus laufenden bzw. abgeschlossenen Forschungsvorhaben, ergänzt um einige Beiträge aus der Industrie. Moderiert wurden die über 20 jeweils halbstündigen Vorträge sowie die Podiumsdiskussion von Kongressleiter Dr.-Ing. Christoph Bleicher vom Fraunhofer LBF sowie von Wissenschaftsjournalist Thomas Ranft der u. a. durch die Moderation der Sendung „Alles Wissen“ im hr-Fernsehen bekannt ist. Die Kongresssprache war Englisch.

Vielversprechende neue Erkenntnisse lieferte Dr.-Ing. Peter Trubitz, TU Bergakademie Freiberg, mit seinem Vortrag zum Risswachstumsverhalten in Gusseisen mit Kugelgrafit unter zyklischer Beanspruchung. Die Ergebnisse stammen u.a. aus dem BMWi-Förderprojekt „Gusswelle“, bei dem geprüft wird, ob Rotorhohlwellen aus GJS durch gelenkte Erstarrung (Kühlkokillen) hergestellt werden können. Ziel ist es, das Leistungsgewicht von Windkraftanlagen weiter zu verbessern. Der Verlauf der Risswachstumskurven kann mit einem in Freiberg entwickelten Modell besser angepasst werden. Die Ergebnisse wurden mit Berechnungsvorhaben nach ASTM verglichen; eine an GJS angepasste Prüfstrategie wurde entwickelt. Im ebenfalls laufenden Vorhaben „Nodular Weld“ wird ein Reparaturschweißkonzept für oberflächennahe Fehler an solchen Bauteilen entwickelt.

Die Korrelation der Ermüdungsbeständigkeit von Stahlguss mit herstellungsbedingten Ungänzen zeigte Dr.-Ing. Sven Nagel, Karlsruher Institut für Technologie. Fokus des IGF-Vorhabens 19691 ist Stahlguss für das Bauwesen; in GIESSEREI 12/2020 wird im Detail berichtet. Wichtig: Der Tragwerkplaner erhält erstmalig ein am Großbauteilversuch validiertes Tool, um die Ermüdungsbeständigkeit mit einer „Hand-Methode“ abzuschätzen; ein detailliertes Verfahren gibt es ebenfalls. Die im selben Forschungsvorhaben angewandte Modellierung zur Bewertung des Verhaltens realer Ungänzen wurde von Matthias Jung, Fraunhofer IWM, dargestellt. Am IWM wurde ein Schädigungsparameter- Modell angepasst und validiert. Ziel ist, anhand von ZfP-Daten das zyklische Verhalten von Bauteilen mit Ungänzen zu modellieren. Am IWM werden zukünftig andere Ungänzen und Werkstoffe untersucht.

Die Dauerfestigkeit von gegossenen Aluminiumrädern kann mit der RFS-Methode abgesichert werden, wie Marco Breitenberger, Fraunhofer LBF, zeigte. Gussräder werden auf dem Räderprüfstand des LBF unter extremen Bedingungen geprüft. Anrisse an kritischen Stellen des Bauteils werden durch ZfP detektiert und der Required Fatigue Strength RFS gegenübergestellt. Durch diese Absicherung am realen Design können die Prüfzeiten verkürzt werden.

In einem Projekt mit der Fonderia Ariotti untersuchte Dr.-Ing. Michele Dallago, Universität Trento, Kerbermüdung und Risswachstum von Gusseisen mit Kugelgrafit, um Großgussteile gegen Gefügeabweichungen abzusichern. Die Critical Distance-Theorie weist die geringe Kerbempfindlichkeit der Werkstoffe an verschiedenen Probenformen nach. Fokus kommender Untersuchungen ist das Ermüdungsrisswachstum.

Während der Podiumsdiskussion zum Thema „Normung“ stellte Oliver Maier die DNV-Richtlinie für Windenergieanlagen vor und warb für einen Standard zur Datenaufbereitung, um bessere Werkstoffkennwerte in die Normen einzubringen, die aus seiner Sicht zu konservativ seien. Dr. Ingo Steller, BDG, betonte, dass die Europäische Normung einen Konsens darstellt und offen für alle Anwendungen und Fertigungsverfahren sein müsse. Nomen seien mehr als der Minimal-Konsens. Die Werkstoffkennwerte sind statistisch ab gesichert. Für Anwendungen mit besonders hohen Anforderungen seien Kundenspezifikationen geeigneter.

Dr.-Ing. Markus Könemann, IEHK , und Daniel Franzen, GI der RWTH Aachen, berichteten über die numerische Modellierung des Zähigkeitsverhaltens von Si-legiertem Gusseisen mit Kugelgrafit. Die Zähigkeit dieser Werkstoffe wird über den Kerbschlagbiegeversuch unzureichend abgeschätzt. Im laufenden Vorhaben IGF 20290 wurden Modelle zur Beschreibung des Zähigkeitsverhaltens kalibriert und mit dem Schlagzugversuch validiert. Dieses Prüfverfahren soll weiterentwickelt werden, um die Bauteilzähigkeit besser beurteilen zu können. So wird Leichtbau möglich.

Dr.-Ing Jörg C. Sturm, MAGMA, schlug den Bogen von der Vorhersage von Hot Spots zum verifizierten Werkstoffverhalten. Bereits im Bauteildesign wird durch virtuelle Optimierung ein robuster Fertigungsprozess vorgeschlagen, bei dem mögliche Fehlstellen eliminiert werden, bevor der erste Abguss erfolgt ist. Die lokalen Bauteil-Eigenschaften können in die CAE-Software exportiert werden. Die additiven Fertigungsverfahren für Sandkerne werden durch die Slurry-basierte Herstellung ergänzt, die von Joachim Vogt, Fraunhofer IST, erläutert wurde. Das Verfahren wird gemeinsam mit Voxeljet entwickelt. Durch Anpassung der Slurry-Zusammensetzung und des Sinterverfahrens sind Kerne mit null Prozent Schwindung möglich. Ein Prototyp arbeitet bereits, Anwendungen werden auch im Feinguss gesehen.

Adalbert Kutz, Gießerei-Institut der RWTH Aachen, berichtete über den Einfluss der Gusshaut auf die Schwingfestigkeit von Gusseisen mit Kugelgrafit. Die Ergebnisse des Vorhabens IGF 18976 sind in GIESSEREI 11/2019 zusammengefasst worden. Die entartete Randschicht mit Lamellengrafit wurde mit einer speziellen Schlichte eingestellt, die Schwingfestigkeit wurden am Fraunhofer LBF gemessen und in Bauteilversuchen validiert. Bei gemessener Randschichtdicke kann der Effekt quantifiziert werden.

Markus Hagedorn, ABP Induction Systems, stellte die Vorteile der Niederdruckguss- Technologie für den Eisen- und Stahlguss dar (mehr hierzu in GIESSEREI 4/2020). Die Schmelze oxidiert weniger und wird laminar gefüllt. Der Nachdruck minimiert Anschnitte und Speiser und ermöglicht dünnwandige Bauteile für strukturellen Leichtbau. Das Verfahren ist technisch aufwändiger, wird aber bereits in einigen Betrieben praktiziert und kann nachgerüstet werden.

Martin Kaiser, ExOne, gab einen Übersichtsvortrag zu den Möglichkeiten der Form- und Kernherstellung durch Binder Jetting. Eine Neuerung ist die Verwendung von Bauxitsand.

Nazar Adamchuk, HS Ansbach, berichtete über erste Ergebnisse seiner Arbeit zur Verbesserung der Software-Schnittstellen, um die numerische Prozesskette zu schließen. Ziele der Arbeiten im Projekt „DNAGuss“ sind ein besseres Verständnis der Konversionsparameter und eine Verkürzung der Konversionszeit.

Dr.-Ing. Karl-Michael Nigge, Volume Graphics, demonstrierte die Simulation der Bauteilfestigkeit von Aluminium-Druckguss durch Bestimmung der Porenverteilung mit Computertomografie. Lokale Porositäten werden nach der BDG-Richtlinie P203 klassifiziert. Nach automatischer Vernetzung errechnet die Software hieraus die lokal zulässigen Porositäten. Die größte Pore muss nicht die schädlichste sein. Letztere können gezielt dargestellt werden, um sie in der FEM-Simulation zu bewerten.

Aus Anwendersicht berichtete Klaus Puchner, Magna Powertrain, über die Berücksichtigung lokaler Festigkeits-Eigenschaften aus der Gießprozesssimulation für die Ermüdungsbewertung mit FEMFAT, um den Verbrauch an Lebensdauer von Gussteilen zu bestimmen.

Ergänzend zum Vortrag von Dr. Trubitz berichtete Julian Kirsch, Fraunhofer IWES, über eine validierte Design-Methodik für gegossene Rotor-Hohlwellen aus EN-GJS- 400-18LT. Das feinere Erstarrungsgefüge verbessert die Ermüdungsbeständigkeit und erlaubt eine signifikante Materialeinsparung im Design. Das Bauteil wird in Originalgröße auf einer Prüfeinrichtung getestet.

Dr.-Ing. Miriam Weikert-Müller, Fraunhofer IZFP, gab einen Einblick in das Innere von dickwandigen Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgrafit mithilfe innovativer Ultraschall-Prüfverfahren. Im BMWi-Vorhaben „Grenzqualifizierung“ wurde Chunky- Grafit mit dem am IZFP entwickelten 3MA-Verfahren nachgewiesen und statistisch bewertet. Die Eignung für NE-Metalle wird noch untersucht.

Wie kann Durchstrahlungsprüfung zur Nachhaltigkeit beitragen? Diese Frage stellte Dr. Frank Sukowski, Fraunhofer EZRT, und beantwortete sie anhand eines automatisierten Prüfstandes für Aluminium- Gussräder. Die noch in Entwicklung befindliche Software „ISAR“ erstellt eine Trendanalyse der gefundenen Fehler, verbunden mit einer Root Cause Analysis und schlägt Parameter-Anpassungen vor. Dies minimiert den Ausschuss.

Frank Leinenbach, Fraunhofer IZFP, und Jan Clausen, Fraunhofer IFAM, stellten hybride Bauteile aus Aluminium- Druckguss mit eingegossenen Kohlenstoff- Fasern vor. Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich auf eine Verringerung der Korrosion des Werkstoff-Verbundes und verbessern die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) zum Nachweis unzureichender Infiltration.

Das Barkhausen-Rauschen könnte Potenzial für die ZfP von Gussteilen aufweisen. Erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zeigte Dr.-Ing. Ulana Cikalova, Fraunhofer IKTS. Mikrodefekte im Werkstoffgefüge können die Bloch-Wände festhalten und verändern die magnetische Hysterese, die ein Sensor feststellen kann. Eigenspannungen in Schweißungen an einem Wärmetauscher wurden detektiert. Die Auswerte-Algorithmen werden weiter verfeinert.

Sponsoren und Partner waren der BDG, VDMA Metallurgy, MAGMA und die DGZfP. Die nächste Tagung ist für den 6.-8. März 2023 geplant.

Ingo Steller und Robert Piterek 


PC-Ansicht der Kongress-Startseite, über die Teilnehmer auch in eine Messehalle mit vier Ausstellern gelangten: dem Fraunhofer LBF, MAGMA, Rumul und Siempelkamp.

Bild: FRAUNHOFER LBF