Giesserei. Rundschau. Fachzeitschrift der Österreichischen Giesserei-Vereinigungen. Jhg. 54 heft 9/

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1 Österreichische Post AG Info.Mai Entget bezaht Fachzeitschrift der Österreichischen Giesserei-Vereinigungen Verag Lorenz, 1010 Wien Ebendorferstraße 10 Jhg. 54 heft 9/ Giesserei Rundschau

2 Die nächste Ausgabe der GIESSEREI RUNDSCHAU Nr.11/12 erscheint am 12. Dezember Schwerpunktthema: Eisen- und Stahguss Redaktionsschuss: 16. November 2007

3 Impressum Medieninhaber und Vereger: VERLAG LORENZ A-1010 Wien, Ebendorferstraße 10 Teefon: +43 (0) Fax: +43 (0) e-mai: Internet: Herausgeber: Verein Österreichischer Gießereifacheute, Wien, Fachverband der Gießereiindustrie, Wien Österreichisches Gießerei-Institut des Vereins für praktische Gießereiforschung u. Lehrstuh für Gießereikunde an der Montanuniversität, beide Leoben Chefredakteur: Bergrat h.c. Dir.i.R., Dip.-Ing. Erich Nechteberger Te. u. Fax +43 (0) e-mai: Redaktionee Mitarbeit und Anzeigeneitung: Irene Esch +43 (0) oder e-mai: Redaktionsbeirat: Dip.-Ing. Werner Bauer Dip.-Ing. Afred Buber Univ.-Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Poaczek Dip.-Ing. Dr. mont. Hansjörg Dicht Prof. Dr.-Ing. Reinhard Döpp Univ.-Professor Dip.-Ing. Dr. techn. Wifried Eichseder Dip.-Ing. Dr. mont. Roand Hummer Dip.-Ing. Dr. techn. Erhard Kaschnitz Dip.-Ing. Adof Kerb Dip.-Ing. Gerhard Schindebacher Univ.-Professor Dr.-Ing. Peter Schumacher Abonnementverwatung: Sivia Baar +43 (0) Jahresabonnement: Inand: 59,20 Ausand: 73,00 Das Abonnement ist jeweis einen Monat vor Jahresende kündbar, sonst git die Besteung für das fogende Jahr weiter. Bankverbindung: Bank Austria BLZ Konto-Nummer Erscheinungsweise: 6x jährich Druck: Druckerei Robitschek & Co. Ges.m.b.H. A-1050 Wien, Schossgasse Te. +43 (0) , e-mai: Nachdruck nur mit Genehmigung des Verages gestattet. Unverangt eingesandte Manuskripte und Bider werden nicht zurückgeschickt. Angaben und Mitteiungen, weche von Firmen stammen, unteriegen nicht der Verantwortichkeit der Redaktion. Organ des Vereines Österreichischer Gießereifacheute und des Fachverbandes der Gießereiindustrie, Wien, sowie des Österreichischen Gießerei-Institutes und des Lehrstuhes für Gießereikunde an der Montanuniversität, beide Leoben. INHALT Die Tiroer Röhren- und Metawerke AG gehört zu den europäischen Spitzenreitern in der Erzeugung und Verarbeitung von duktiem Guss. TRM-Erzeugnisse in Form von Rohrsystemen für die kommunae Wasserverund Abwasserentsorgung. Beschneiungsanagen, Turbineneitungen, Brandschutzeitungen, Hausentwässerung sowie Duktie Rammpfähe finden wetweit ihren Einsatz.. Die Guss Komponenten GmbH ist ein internationa anerkannter Speziaist für Sphäroguss. Namhafte Unternehmen der europäischen Nutzfahrzeug- und Baumaschinenindustrie vertrauen auf die hochwertigen Rohgussteie, bearbeitete Komponenten sowie fertig assembierte Bauteie, die in Ha gegossen werden. BEITRÄGE 166 Simuation des Wärmeübergangs beim Sprühen im Druckgießprozess Neue Perspektiven für Gusseisen mit Kugegraphit Simuation betriebsfestigkeitsreevanter Einfüsse bei Gussstrukturen INTERNATIONALE ORGANISATIONEN TAGUNGEN/ SEMINARE/MESSEN 184 VÖG-VEREINS- NACHRICHTEN 207 LITERATUR AKTUELLES Vorschau 68. Gießerei-Wetkongress Indien CAEF The European Foundry Association WFO-Technica Forum Tei 2 Bericht NEWCAST-Forum Tei 2 Rückschau Sowenische Gießerei-Tagung Portoroz Veranstatungskaender Aus den Betrieben Aus dem ÖGI Aus dem Fachverband Interessante Neuigkeiten Personaia Bücher und Medien

4 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) HEFT 9/10 Simuation des Wärmeübergangs beim Sprühen im Druckgießprozess Simuation of Spray Cooing Heat Transfer in High Pressure Die Casting Dip.-Ing. Dr. techn. Erhard Kaschnitz Nach Studium der Technischen Physik an der TU Graz Forschungsjahr am Nationa Institute of Standards and Technoogy (NIST) in Gaithersburg, MD, USA. Seit 1994 wissenschafticher Mitarbeiter am Österreichischen Gießerei-Institut Leoben, verantwortich für die Arbeitsgruppe Simuation und für das Thermophysikaische Labor. Dip.-Ing. (FH) Mario Leind Studium der Schienenfahrzeugtechnik an der FH-Joanneum Graz. Seit 2006 as Dissertant an der Materias Center Leoben Forschung GmbH tätig. Arbeitsgebiet: Numerische Simuation. Zusammenfassung Eineitung Dip.-Ing. Peter Hofer Studium der Metaurgie an der Montanuniversität Leoben. Seit 2005 wissenschafticher Mitarbeiter am Österreichischen Gießerei-Institut Leoben, Arbeitsgruppe Physik und Thermophysikaisches Labor. Dip.-Ing. Werner Ecker Studium der Werkstoffwissenschaften an der Montanuniversität Leoben. Seit 2005 as Dissertant an der Materias Center Leoben Forschung GmbH tätig. Arbeitsgebiet: Finite Eemente Simuation, Thermomechanische Ermüdung. Im Rahmen eines Forschungsprojekts mit dem Zie der Lebensdauersteigerung von Gießwerkzeugen so mit numerischer Simuation die Schädigung von Druckgießformen vorhergesagt werden. Zur Abbidung der scharfen Temperaturgradienten, wie sie für das Druckgießen typisch sind, sind die übichen Annahmen zu den Wärmeübergängen zu ungenau. Um die Wärmeabfuhr beim Sprühen der Form, weche nach bisherigem Wissensstand für den Hauptantei der Formschädigung verantwortich ist, besser charakterisieren zu können, wurde am Österreichischen Gießerei-Institut (ÖGI) in Zusammenarbeit mit der Materias Center Leoben Forschung GmbH (MCL) ein Prüfstand zur Ermittung des Wärmeübergangskoeffizienten beim Sprühen aufgebaut, wecher sich nun in der Phase der Inbetriebnahme befindet. Zie ist es, durch Messung von Temperaturänderungen Eingangsdaten für die numerische Simuation zu gewinnen. Bei der numerischen Simuation von Druckgießprozessen ist es Stand der Technik, die Temperaturverteiung in der Form während der unterschiedichen Prozessphasen mitzuberechnen. Hierfür werden die Wärmeübergangskoeffizienten so angepasst, dass die berechnete Temperaturverteiung in der Form mit in der Praxis gemessenen Werten übereinstimmt. Dies ist für die Vorhersage von Formfüung und Erstarrung ausreichend genau. In den etzten Jahren erschießt die numerische Simuation von Gießprozessen aber immer weitere Feder, darunter auch das der Vorhersage von Verzug und Eigenspannungen in Gusstei und Gussform. Für die Ausbidung von Eigenspannungen und für eventuee Schädigung des Werkzeugs sind jedoch weniger die Temperatur sebst, as deren okae Unterschiede reevant. Bei Prozessen wie dem Druckgießen sind die auftretenden Temperaturgradienten extrem scharf und zeitich stark veränderich. Um die erreichten Spitzentemperaturen an der Formoberfäche und die durch die Wärmeeitfähigkeit der Werkstoffe bedingten Temperaturgradienten in der Simuation richtig abbiden zu können, müssen die Wärmeübergangsbedingungen zwischen den beteiigten Prozesskomponenten sehr genau bekannt sein. Besonders schwierig wird dies, wenn Nichtinearitäten in den thermischen Kontaktbedingungen auftreten. Beispiee für soche Nichtinearitäten sind z. B. Druckaufund -abbau, veränderiche Strömungsgeschwindigkeit und Phasenumwandungen. Letztere sind besonders schwierig zu erfassen, da sie zum einen die beiden erstgenannten Effekte mit beeinfussen und zum anderen ihrerseits Wärme in die kontaktierenden Komponenten einbringen oder entziehen. Ein Teiprozess des Druckgießens, bei wechem a diese Effekte auftreten, ist das Sprühen der Formoberfäche nach dem Ausformen. Es dient einerseits dem Aufbringen eines Trennmittes zur Verminderung der Kebneigung des Gussteis an der Formwand, anderseits der Beeinfussung des Temperaturhaushates der Form. Beim Sprühen mit Trennmittegemischen auf Wasserbasis sind die Wärmeübergangsmechanismen stark von der Oberfächentemperatur abhängig. Bei Beaufschagung mit dem Sprühmedium kommt es, abhängig von der Temperatur der Oberfäche, zur Ausbidung unterschiedicher Zonen, die sich hinsichtich des Wärmeabfuhrmechanismus stark voneinander unterscheiden (Bid 1). Dementsprechend ändert sich dadurch auch die abgeführte Wärmemenge. Bei hohen Temperaturen tritt das sogenannte Leidenfrost-Phänomen auf. Es bidet sich dabei ein stabier Dampffim zwischen der Füssigkeit und der zu kühenden Oberfäche aus. Die Verdampfungsgeschwindigkeit und in weiterer Foge die Wärmeabfuhr wird dabei von der Wärmeeitung durch den Dampffim bestimmt. Unterhab der Leidenfrosttemperatur bricht dieser Dampffim zusammen und es kommt durch die direkte Benetzung der Oberfäche zu einem Anstieg des Wärmeüberganges. Diese beiden Bereiche werden Bereiche der stabien bzw. partieen Fimverdampfung genannt. Sinkt nun die Temperatur wei- Bid 1: Abhängigkeit des Wärmestroms q und des Wärmeübergangskoeffizienten α von der Differenz zwischen Oberfächen- und Sprühmittetemperatur, (B...Übergang zum Basensieden, L...Leidenfrostpunkt) [1] 166

5 HEFT 9/10 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) Bid 2: Membrangesteuerte Sprühdüse (1...Düsen-Wechsekappe, 2...Anschuss für Wasser- Trennmitte-Gemisch, 3...Anschuss für Sprühund Basuft, 4...Anschuss für Steueruft) Bid 3: Aufbau des Prüfstandes (1...Versuchsbock, 2...vertikae Linearachse mit Stemotor, 3...horizontae Linearachse mit Stemotor, 4...Trägerpatte für Sprühdüse, 5...Anschussbohrungen für Temperierung) ter, so kommt es zu einem Punkt, an dem jeder Füssigkeitstropfen beim Auftreffen auf die Oberfäche verdampft. An diesem Punkt wird die maximae Wärmeabfuhr erziet. Unterhab dieses Punktes beginnt der Bereich des Basensiedens, bei dem sich Dampfbasen im direkten Kontakt mit der Oberfäche biden und durch den darüber iegenden Füssigkeitsfim aufsteigen. Wird die Temperatur der Oberfäche weiter gesenkt, so wird die weitere Wärmeabfuhr durch Konvektionsvorgänge bestimmt und es kommt zu einer schechteren Wärmeabfuhr [1, 2, 3]. Das Aufbringen des Trennmittes führt zu einer abrupten Umkehr des Temperaturgradienten in der Nähe der Formoberfäche. Für die mechanischen Beastungen bedeutet dies einen Übergang vom Druck- in den Zugbereich. Da es sich beim Druckgießen um einen zykischen Prozess handet, wird die Druckgießform durch diese Praxis einer zykischen Wechsebeastung ausgesetzt, weche die Form auf Dauer schädigt und zu deren Totaversagen führen kann. Ein Konsortium, bestehend aus dem MCL, dem ÖGI, Georg Fischer und Böher Edestah arbeitet an einem Forschungsprojekt zur Lebensdaueroptimierung von Dauerformen. Zie dieses Projekts ist es, die Werkzeugstandzeiten zu erhöhen und den Nachbearbeitungsaufwand zu minimieren. Dies so unter anderem durch rechnergestützte Vorhersagen der Werkzeugbeastung geschehen. Um den gesamten Prozess des Druckgießens modeieren zu können, müssen entsprechende Eingangsdaten für die Simuation vorhanden sein. Daher wird am ÖGI zur Zeit ein Prüfstand zur Ermittung von Wärmeübergangsdaten in Betrieb genommen. Der Prüfstand kann die reevanten Aspekte des Sprühens einer Druckgießform, wie Formtemperatur, Sprühmittemenge, Bewegung des Sprühkopfes und Sprühdauer nachbiden. Aus den im Versuch gemessenen Temperaturdaten werden Werte für den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Sprühmitte und Formoberfäche abgeeitet. Aufbau des Prüfstandes Der Prüfstand besteht im Wesentichen aus einem Bock (500 mm x 400 mm x 75 mm) aus Warmarbeitsstah und einer einzenen gegenüberiegenden Sprühdüse (Bid 2), weche über zwei Linearachsen mittes Stemotoren waagrecht und senkrecht bewegich ist. Dabei ist die Konstruktion so ausgeegt, dass der Abstand der Düse von der Bockoberfäche variiert werden kann. Die beiden Komponenten sind auf ein gemeinsames Geste aus Stahprofien montiert (Bid 3). Die Beheizung des Edestahbocks erfogt mittes eines mäanderförmigen Kanas, durch wechen Temperierö geeitet wird. Dieses wird mit einem Heizgerät, wie es im Druckguss verwendet wird, auf Temperatur gebracht. Die Bockoberfäche wird so auf Temperaturen von bis zu 350 Caufgeheizt. Die Ausegung des Temperiersystems wurde vorher mit der Software ANSYS Workbench simuiert. Zie war es, dabei eine mögichst große, homogene Temperaturzone an der Oberfäche zu erzieen (Bid 4 Seite 168). An der Bockoberfäche angepunktete Thermoeemente iefern die reevanten Temperaturwerte; diese soen mit einer Thermokamera zusätzich überprüft werden. Da der Sprühnebe und der bei der Verdampfung des Sprühmediums entstehende Dampf eine pyrometrische Temperaturbestimmung erschweren, ist man während des Sprühvorganges jedoch aein auf die Daten von sehr dünnen, an die Oberfäche angepunkteten Thermoeementen angewiesen. Die Kontroe der Bockinnentemperatur erfogt ebenfas über Thermoeemente. Das von der Oberfäche des Bocks abfießende Wasser wird in einer Schae aufgefangen. Somit kann aus der Menge des verdampften Wassers sowie der Temperatur des abgefossenen Wassers die dem Bock entzogene Wärme abgeschätzt werden. Versuche In mehreren Versuchsreihen werden unterschiediche Sprühparameter erprobt und Temperaturdaten aufgenommen. Augenmerk wird vor aem auf das Vorhandensein des Leidenfrost-Effektes im Bereich höherer Oberfächentemperaturen sowie einer prinzipieen Abhängigkeit des Wärmeüberganges von der Oberfächentemperatur ge- 167

6 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54(2007) HEFT 9/10 Bid 4: Errechnete Temperaturverteiung an der Bockoberfäche (inks) und Geometrie des Heizsystems (rechts) egt werden. Fogende Parameter werden in den gepanten Versuchsreihen geziet variiert werden: Sprühmittedurchsatz Sprühkopfabstand Bocktemperatur Verfahrgeschwindigkeit des Sprühkopfs As Sprühmitte wird zunächst nur Wasser ohne zugesetztes Trennmitte zum Einsatz kommen. Dies hat den Vortei, dass dessen thermophysikaische Parameter gut bekannt sind, womit keine zusätzichen Unschärfen in den Messaufbau eingebracht werden. Ausgehend von den aus den Versuchen mit reinem Wasser gewonnenen Daten können dann Veränderungen durch Trennmittezusatz untersucht werden. Auswertung der Messdaten und Gewinnung der Simuationsparameter Aus den gewonnen Temperaturdaten, unterstützt durch die Enthapiedaten des eingesetzten Prozesswassers, werden anschießend rechnergestützt Wärmeübergangskoeffizienten abgeeitet und für eine Eingabe in die im Projekt zum Einsatz kommenden Simuationstoos aufbereitet. Die Abeitung der Wärmeübergangskoeffizienten wird mittes Parameteranpassung bzw. inverser Simuationstechniken erfogen. Ausbick Durch die Kenntnis reaitätsnaher Wärmeübergangsdaten wird die Simuation der auftretenden Temperaturfeder wesentich verbessert und eine seriöse Vorhersage der im Werkzeug auftretenden Eigenspannungen überhaupt erst mögich. Dadurch können in weiterer Konsequenz Prognosen zur Werkzeugschädigungen abgegeben werden. Des Weiteren können unterschiediche Prozessvarianten bereits am Rechner erprobt werden, sodass eine werkzeugschonende Fahrweise des Druckgießprozesses schon vor dem ersten Schuss in der Maschine festgeegt werden kann, womit wertvoe Produktions- und Rüstzeiten eingespart werden können. Danksagung Für die finanziee Unterstützung durch die Österreichische Forschungsförderungsgeseschaft mbh, das Land Steiermark, die Steirische Wirtschaftsförderungsgeseschaft mbh und die Stadtgemeinde Leoben innerhab von Forschungsaktivitäten des Materias Center Leoben im Rahmen des österreichischen Kpus Kompetenzzentrenprogramms sei herzichst gedankt. Literatur [1] F. Puschmann, Experimentee Untersuchung der Spraykühung zur Quaitätsverbesserung durch definierte Einsteung des Wärmeübergangs, Dissertation Otto von Guericke-Universität Magdeburg [2] G. W. Liu et a. Characterisation Of The Spray Cooing Heat Transfer Invoved In A High Pressure Die Casting Process, Internationa Journa of Therma Sciences 39 (2000), S [3] R. Jeschar, L. Maibücher, Experimentee Untersuchung des Wärmeübergangs bei der Verdampfungskühung im Sprühnebe, TU Caustha; URL: 20_maibuecher.pdf (Abruf: ). Kontaktadresse: Österreichisches Gießerei-Institut A-8700 Leoben Parkstraße 21, Te.: +43 (0) E-Mai: 168

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8 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) HEFT 9/10 Neue Perspektiven für Gusseisen mit Kugegraphit * ) Gegossene Bauteie as Aternative zugeschmiedeten New Perspectives for Ductie Cast Irons Castings as an Aternative to Forgings. Dr. sc. techn. Werner Menk ist Leiter der Werkstoffentwickung im Zentraabor der Georg Fischer Automotive AG in Schaffhausen, Schweiz. 1. Eineitung Dip.-Ing. Sabine Prukner ist Projektingenieurin Eisenguss in der Werkstoffentwickung im Zentraabor der Georg Fischer Automotive AG in Schaffhausen, Schweiz. Entwicker und Konstrukteure von Motoren soten ihre Vorsteung revidieren, dass nur geschmiedete Bauteie Hocheistungsteie sind. Denn auch mit modernen Gusseisenwerkstoffen erschießen sich nunmehr Mögichkeiten, die bisang nur umgeformtem Stah vorbehaten waren. Der neue Sphäroguss-Werkstoff SiboDur von GF Automotive vereiht gegossenen Bauteien im Bereich Fahrwerk, Antrieb und anderen fast die geichen Festigkeits- und Schwingungseigenschaften. Und: Ae anderen positiven Eigenschaften des Gusses beiben erhaten. Bid 1: Hohgegossene Kurbewee *) Vorgetragen von S. Prukner auf der 51. Österr. Gießereitagung in Steyr/OÖ Viee Bauteie im Automobi sind zeitich und örtich wechsenden Kräften, Dreh- und Biegemomenten sowie kompexen Schwingungsanregungen ausgesetzt. Das Kraftniveau ist in den etzten Jahren angestiegen, unter anderem durch aufadbare Diesemotoren mit Direkteinspritzung, durch höhere Achsasten, durch den Zwang zu Leichtbau und es wird auch künftig weiter wachsen. Die Vorteie von gegossenen Bauteien im Vergeich zu geschmiedeten sind viefätig. Gegossene Teie sind in vieen Fäen erhebich kostengünstiger und rund 10 % eichter as geschmiedete. Und da das Gießen mehr gestaterische Freiheit bietet, sind hohgegossene, besonders eichte Ausführungen mögich (Bid 1). Darüber hinaus entstehen beim Gießen maßhatigere Bauteie mit nur keinen Formteiungsgraten. Die Nacharbeit gegossener Bauteie vereinfacht sich dadurch erhebich und ist zudem wirtschafticher, wei sich Gusseisen mit Kugegraphit einfacher und schneer bearbeiten ässt as Schmiedestah. Aufgrund dieser Vorzüge und einer sehr kurzen Entwickungszeit sind gegossene Bauteie für Anwendungen ohne hohe Festigkeitsansprüche besonders geeignet. Überschreiten die Anforderungen an die (Schwing-)Festigkeit gewisse Grenzen, musste der Konstrukteur bisher stets auf geschmiedete Teie ausweichen und dafür meist höhere Kosten in Kauf nehmen. Die neue Werkstofffamiie SiboDur von GF Automotive öst diesen Ziekonfikt auf mit einer Festigkeit fast wie Schmiedestah und den vieen günstigen Eigenschaften eines gegossenen Bauteis. 2.Werkstoff SiboDur Der Name SiboDur eitet sich von den Zuschägen Siizium und Bor sowie von dem engischen Wort Durabiity (Hatbarkeit) ab. GF Automotive hat den Werkstoff aus Gusseisen mit Kugegraphit (Sphäroguss) entwicket. Wesentiche Bestandteie sind ein Kohenstoffantei von 3,35 bis 3,65 %und ein Siiziumantei von 2,8 bis 3,3 %. Im Vergeich zum Ausgangsmateria hat SiboDur noch bessere Eigenschaften bei Dehnung, Zugfestigkeit und Schwingfestigkeit bei geichem E- Modu. Beim Gießen wird ein homogeneres Gefüge ohne Ausreißer erreicht, wodurch SiboDur dem Konstrukteur höhere Dehnungswerte bietet. Außerdem ist der Kerbeinfuss im Vergeich zu anderen Gusswerkstoffen geringer. Durch Variation der Zuschäge assen sich zudem die Werkstoffeigenschaften den Anforderungen anpassen. Eine höhere Festigkeit bei geicher Duktiität ist ebenso mögich wie eine höhere Duktiität bei geicher Festigkeit. Bid 2: Querenker aus SiboDur (rechts: Tei im Originazustand, inks: im Crash-Versuch verformtes Tei) Dass SiboDur ausgereift ist, zeigen unterschiediche Serienanwendungen, etwa im Fahrwerk. Für die Fertigungs-Pattform PQ 35 von Vokswagen fertigt GF Automotive bei eistungsstarken Motoren Querenker aus SiboDur (Bid 2). Und beim Radträger für die Hinterachse des Audi A4 ersetzte GF Automotive mit SiboDur das bisherige geschmiedete Bautei. Seit 2007 werden bei weiteren Modeen von Audi die geschmiedeten Radträger durch gegossene ersetzt, die etwa 20 % kostengünstiger und deutich eichter sind. Der Gewichtsvortei beruht unter anderem auf der Integration eines Lagerzapfens, der beim geschmiedeten Stahtei aufwändig gefügt werden muss. In nächster Zeit wird GF Automotive außerdem eine Dämpferstütze aus SiboDur fertigen. Ähnich wie bei Gusseisen mit Kugegraphit ist auch SiboDur eine Werkstoff-Famiie. Angefangen hat diese Entwickung mit einem Querenker für ein Grossserien-Mittekassefahrzeug. An diesen Querenker werden sehr hohe Anforderungen bezügich Steifigkeit, 170

9 HEFT 9/10 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) Festigkeit und Verformungsvermögen gestet. Der bisher eingesetzte Bechenker konnte diese Anforderungen nicht mehr erfüen, weshab an eine Gussösung gedacht wurde. Erste Versuche zeigten, dass die Anforderungen mit einem konventioneen GJS nicht erfüt werden konnten Bid 3. Erst die kombinierte Entwickung der Geometrie mit Hife einer bionisch basierten Strukturoptimierung mit der Entwickung eines neuen Werkstoffs auf Basis von Gusseisen mit Kugegraphit dem später SiboDur HD genannten neuen Werkstoff konnte die gesteten Anforderungen erfüen. So entstand ein Werkstoff, der sich geichermaßen für Querenker wie für Radträger eignet. Der Werkstoff hat eine Mindest-Dehngrenze von 310 MPa und eine Mindest-Zugfestigkeit von 450 MPa. Die Bruchdehnung iegt bei mindestens 17 %. Der genannte Querenker ist mitterweie seit mehreren Jahren im Serieneinsatz. Bid 5: Der in aufender Serie von Vokswagen von Schmiedestah auf Sibo- Dur umgestete Radträger der PQ 35 Pattform. Bid 3: Nur der Querenker aus SiboDur HD erfüte im Bautei- Schagversuch die Anforderungen: ertragbare Maximakraft, pastische Verformung und damit Energieaufnahme bis zur Rissbidung Weiterführende Überegungen nach diesem Erfog führten zur Entwickung des SiboDur HS, der durch eine weitere Anhebung des Si-Gehates über eine deutich höhere Schwingfestigkeit ohne große Einbusse an Bearbeitbarkeit und Zähigkeit verfügt. As Beispie dazu seien Ergebnisse von Schwingprüfungen an Radträgern mit einem eingepressten Stahzapfen erwähnt, weche eine deutiche Erhöhung der Schwingfestigkeit gegenüber konventioneem GJS dokumentieren und in einer Serienanwendung resutierten, weche dem Kunden durch Einsatz dieses Werkstoffs einen hohen Kostenvortei gegenüber der bisherigen Lösung eines geschmiedeten Stahradträgers boten: Bid 4. Sebstverständich waren die GF-Werkstoffspeziaisten mit diesen Erfogen nicht zufrieden und überegten sich, ob die SiboDur-Idee nicht auch auf höherfeste GJS-Werkstoffe übertragen werden könnte. Das Ergebnis war die Entwickung des Werkstoffs SiboDur Bid 4: In der Seitenkraftprüfung eines PKW-Radträgers erzieten die Bauteie aus SiboDur HS eine 2.5-fache Lebensdauer (90%-Überebenswahrscheinicht) im Vergeich mit denseben Radträgern aus GJS Dieser Werkstoff hat im Vergeich zu den Gusswerkstoffen für die bereits entwicketen Fahrwerkskomponenten etwas modifizierte Zuschäge und mehr peritstabiisierende Eemente. Dadurch erreicht er eine Dehngrenze von mindestens 440 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa bei einer Bruchdehnung von 8bis 12 %. Herausragendes Beispie ist der Radträger mit Zapfen der Gof-Pattform PQ 35 RT: Bid 5. Dieses Bautei wurde bisher as Stahschmiedetei dargestet. In sehr enger Zusammenarbeit zwischen den Entwickern von VW Wofsburg, der GF F&E in Schaffhausen, sowie den Gießereispeziaisten des Werkes Mettmann geang es, eine Gussösung auf Basis von SiboDur zu reaisieren, weche ae Anforderungen bezügich statischer und dynamischer Festigkeit, Steifigkeit, aber auch Zähigkeit erfüt. Insbesondere die Verformungsanforderungen im Crash-Fa waren dabei eine hohe Hürde: Bei einem Seitenaufpra muss sich der Zapfen des Radträgers sichtbar pastisch verformen, ohne anzureißen. Durch eine perfekte Prozesstechnik der Gießerei, weche es ermögicht, äußerst enge Anaysentoeranzen einzuhaten, geang es, die in Versuchen optimierte Zusammensetzung prozesssicher zu fertigen. Die in aufender Serie gepante Substitution ist seit August 2007 angeaufen und wird zurzeit sukzessive auf eine Stückzah von über Teien pro Tag ausgebaut. Für diese erfogreiche gemeinsame Entwickung ist Georg Fischer mit dem Vokswagen Group Award 2007 für Entwickungskompetenz ausgezeichnet worden. Durch diesen Erfog befüget kamen die GF-Werkstoffeute auf die Idee, diesen Werkstoff für Kurbeween zu testen. As Speziaist für gegossene Komponenten für Antrieb, Fahrwerk und Karosserie fertigt GF Automotive jährich etwa zwei Miionen Kurbeween aus Sphäroguss. Durch Roieren der am höchsten beanspruchten Bereiche der Kurbewee das sind die Übergänge zwischen den Lagerzapfen- und Wangenfächen werden geziet Druckeigenspannungen aufgebracht und so die Schwingfestigkeit um etwa 10 bis 15 %erhöht (Bid 6). Diese partiee Katverfestigung gättet zum einen die Oberfäche (Reduktion der Bearbeitungskerben), zum anderen wird der Sphäroguss durch die pastische Verformung verdichtet und verfestigt. Besonders intensives Roieren führt bei herkömmichen Sphäroguss-Werkstoffen aerdings zu einem Absinken der Festigkeit, da die Werkstoffoberfäche versprödet. Der Werkstoff SiboDur eignet sich besonders gut für die partiee Katverfestigung. Er ässt sich weitaus intensiver as herkömmicher Sphäroguss roieren. Das steigert seine Schwingfestigkeit um nahezu weitere 50 %. Das Potenzia des Werkstoffs SiboDur ist somit kar ersichtich. Beispiesweise an einem 1,6-Liter-Ottomotor. 171

10 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) HEFT 9/10 Bid 6: Kräfte und Kenngrößen beim Roieren (FG Gerätekraft, FR Roenkraft, R1 Roendurchmesser, R2 Werkstückdurchmesser, r Roenradius, α Roenanstewinke) entsprechend roierten Proben. Dies eröffnet die Option, bestehende Bearbeitungsinien für Schmiede-Kurbeween mit gehärteten Übergangsradien ohne grosse Investitionskosten auf Guss umzusteen. Für die Automobi- und Motorenhersteer ergeben sich daraus mehrere Vorteie. Sie können jetzt beispiesweise einen Grundmotor mit mehreren Leistungsstufen mit nur noch einer Kurbewee panen. Die bisherige kostenintensive Aternative geschmiedete Ween für die eistungsstärkeren Motoren, gegossene für die Grundmotorisierungen ist dann nicht mehr erforderich. Eine andere Mögichkeit ist, durch die guten Festigkeitseigenschaften roierter oder gehärteter SiboDur-Kurbeween ihre Maße zu verkeinern, um so die Masse zu reduzieren und die Reibungsveruste zu minimieren. Inzwischen ist SiboDur zu einer ganzen Werkstofffamiie mit einem extrem hohen Substitutionspotentia gegenüber Schmiedewerkstoffen geworden: Bider 8, 9. Aktue ist zudem eine neue Sorte mit mitterer Festigkeit (Grössenordnung MPa Zugfestigkeit) in Entwickung, weche hohe Festigkeit mit guter Bearbeitbarkeit vereinen wird z.b. mit einem hohen Potentia zur Gewichtsreduzierung von LKW-Radnaben. Der Weiterentwickung von SiboDur kann daher gespannt entgegengesehen werden Bid 7: Einfuss des Roierens auf die Dauerfestigkeit von identischen Kurbeween in unterschiedichen Werkstoffvarianten und Roierparametern. Die Schwingfestigkeit seiner roierten Serien-Kurbewee aus herkömmichem Sphäroguss beträgt etwa 1000 Newtonmeter. Eine identische Wee aus Sibodur hat nach optimiertem Roieren eine Schwingfestigkeit von mehr as 1500 Newtonmeter. Noch anschauicher wird es bei einem weit verbreiteten 1,9-Liter- Diesemotor (Bid 7). Dessen serienmäßige Kurbewee aus Schmiedestah hat eine Dauerschwingfestigkeit von etwa 1870 Newtonmeter. Die geiche Wee aus höherfestem SiboDur erreicht nach versuchsweisem Roieren eine annähernd so hohe Dauerschwingfestigkeit von etwa 1830 Newtonmeter. Ein optima abgestimmter Roiervorgang hebt diesen Wert noch weiter an, über das Niveau der geschmiedeten Kurbewee hinaus. Damit ist die bisherige Aeinsteung der geschmiedeten Kurbeween passé. Zudem zeigen neueste Untersuchungen auf, dass sich SiboDur auch hervorragend härten ässt. An SiboDur-Proben mit gehärteten Übergangsradien konnten nochmas deutich höhere Schwingfestigkeiten erziet werden, as mit Literatur [1] Menk, W.: Leichtbau mit Eisenwerkstoffen. Optimierte Gusswerkstoffe für Fahrwerkskomponenten. ATZ 107 (2005), Nr. 2, S [2] Menk, W.: Vieversprechende Perspektiven für Fahrwerksteie. Gusseisen noch immer eine Aternative im Automobibau. Giesserei 92 (2005), Nr. 5, S [3] Gü, A.; Hecker, A.; Menk, W.: Sinnvoes Zusammenspie moderne Werkstoffe und Verfahren für hochbeanspruchbare Eisengussteie. Konstrieren +Giessen 31 (2006), Nr. 3, S. 6-9 [4] Menk, W.; Kniewaner, L.; Prukner, S.: Neue Perspektiven im Fahrzeugbau: Gegossene Kurbeween as Aternative zu geschmiedeten. MTZ 68 (2007), Nr. 5, S

11 HEFT 9/10 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) Bid 8: Die GF Werkstofffamiie SiboDur Ae Bider: GF Automotive Kontaktadresse: Georg Fischer Automotive AG, F&E, CH-8201 Schaffhausen, Mühentastrasse 65, Te.: +41(0) Mobi: +41(0) Fax: +41(0) Bid 9: Potentia der SiboDur- Werkstoffe zur Substitution von Stah-Schmiedeteien 173

12 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) HEFT 9/10 Virtuee Produktentwickung * ) Mögichkeiten der Simuation betriebsfestigkeitsreevanter Einfüsse bei Gussstrukturen Possibiities of Impementation of Infuences to the Durabiity Behaviour of Cast Structures Dip.-Ing. Hemut Dannbauer Absovent des Maschinenbaues an der TU Wien mit Schwerpunkt auf numerische Ingenieursmethoden. Seit 1990 im Technoogie Zentrum Steyr tätig. Mehrjährige Erfahrung in verschiedenen Bereichen der Finite Eemente Anayse und Lebensdauerberechnung sowie Beteiigung an der Entwickung der Software FEMFAT. Seit 1998 Leiter der Abteiung Strukturmechanik im Engineering Center Steyr. Dip.-Ing. Markus Katenböck Absovent des Maschinenbaues an der TU Wien. Seit 1998 im Technoogie Zentrum Steyr, Abteiung Strukturmechanik tätig. Mehrjährige Erfahrung in verschiedenen Bereichen der Finite Eemente Anayse und Lebensdauerberechnung. Seit 2006 Gruppeneiter der Festigkeitsberechnung innerhab der Abteiung Strukturmechanik. Zusammenfassung Dip.-Ing. Bernhard Unger Absovent des Maschinenbaues an der TU Wien. Nach siebenjähriger Tätigkeit as Sachbearbeiter im Technoogie Zentrum Steyr im Bereich Strukturmechanik sowie Verantworticher für die Entwickung und für den Vertrieb der Software FEMFAT ab 1997 Leiter der Abteiung Strukturmechanik. Seit 1999 Leitung des Technoogie Zentrums Steyr (TZS), einem Geschäftsbereich des Engineering Center Steyr (ECS). Dip.-Ing. Kaus Puchner Absovent der Mechatronik an der Johannes Keper Universität Linz. Seit 1998 im Technoogie Zentrum Steyr, Abteiung Strukturmechanik tätig. Zuständig für Projekteitung und Durchführung von Finite Eemente Anaysen und Lebensdauerberechnungen an Bauteien aus den Bereichen Nutzfahrzeuge und Automobibau sowie für die Speziagebiete Formund Topoogieoptimierung. Dip.-Ing. (FH) Werner Aichberger Absovent der Mechatronik an der Fachhochschue Wiener Neustadt. Seit 2005 im Technoogie Zentrum Steyr, Abteiung Strukturmechanik tätig. Zuständig für Durchführung von Finite Eemente Anaysen und Betriebfestigkeitsuntersuchungen an Fahrzeugkomponenten. Die Forderung nach immer genaueren Simuationsergebnissen, um im Bereich Produktentwickung die Vorhersagegenauigkeit zu erhöhen und damit kürzere Entwickungszeiten sowie geringere Entwickungskosten zu ermögichen, ist so at wie die computerunterstützte Simuation sebst. *) Vorgetragen von M. Katenböck auf der 51. Österr. Gießereitagung am in Steyr /OÖ Die Finite Eemente Methode kombiniert mit Mehrkörpersimuation und der numerischen Betriebsfestigkeitsbewertung, hat sich in den etzten Jahren as sehr hifreiches Werkzeug herauskristaisiert, um kompexe Strukturen schon ange vor dem Vorhandensein reaer Prototypen bewerten zu können. Diese Programme werden ständig durch Erweiterungen, Neuentwickungen und nütziche Zusatzwerkzeuge ergänzt. Um dabei immer auf dem etzten Stand der Technik zu beiben, bedarf es einer Speziaisierung einzener Institute bzw. Abteiungen einer Firma bei geichzeitiger starker Vernetzung dieser Speziaisten untereinander. Die derzeit zur Verfügung stehenden Mögichkeiten der virtueen Methoden und Prozesse haben aber noch ange nicht die Spitze erreicht und befinden sich in einem rasanten Verbesserungsprozess. Durch die Leistungsexposion der Computerhardware können nunmehr numerische Berechnungen sehr exakte bzw. umfassende Ergebnisse iefern. Nichtsdestotrotz kommt es immer wieder zu Abweichungen zwischen den Resutaten von Bauteitests und den Simuationsergebnissen. Der Unterschied ist sehr oft darin begründbar, dass die zum Zeitpunkt der Berechnungen verfügbaren Beastungsdaten mangehaft sind. Es ist aber in den etzten Jahren eine stetig bessere Verknüpfung der Mehrkörpersimuation und der Finiten Eemente Methodik beobachtbar, wodurch sich die Genauigkeit im Bereich der Lasten erhöht. Einen weiteren wesentichen Einfuss auf die Betriebsfestigkeit haben die okaen Materiaeigenschaften, bedingt durch den Hersteprozess. Im Regefa fießen diese noch nicht in das Simuationsergebnis ein, wodurch es ebenfas zu markanten Unterschieden zwischen Simuation und Test kommen kann. Erst in jüngster Zeit kommt es zu einer zunehmenden Impementierung mögicher Einfüsse auf die Betriebsfestigkeit, wodurch sich die mögichen Unsicherheiten bzw. Streubreiten der Simuationsergebnisse verringern. Themen wie Topoogieoptimierung, Randschichtmodee, Umformsimuation gewinnen jedoch im atägichen Simuationsprozess nur angsam an Bedeutung. Eine entsprechende Forcierung des Zusammenwirkens der bereits in verschiedenen Abteiungen auf verschiedene Aussagen speziaisierten Simuationen, würde die Aussagequaität noch weiter steigern. Der entsprechende wirtschaftiche Nutzen muss jedoch erst in den Köpfen der Entscheidungsträger Fuß fassen. Eine Viezah an Vorteien (wie Risikoverminderung, Prototypenkostenreduktion, systematische Bauteioptimierung anstatt Tria and Error -Entwickung, Hersteprozesssicherungsvorgaben) steht den Mehrkosten der Entwickung des Know-hows und somit der konsequenten Anwendung dieser detaiierteren Simuationen gegenüber. Der Beitrag zeigt an Hand einiger Beispiee, weche Einfüsse derzeit Berücksichtigung finden, wie sich diese auf die Ergebnisse auswirken und wie sich zukünftig noch höhere Vorhersagequaität erzieen ässt. Der Einsatz von Simuationswerkzeugen Im Engineering Center Steyr (ECS) einem Mitgied der MAGNA Powertrain Gruppe bearbeitet im Bereich Strukturmechanik ein Team von ca. 40 Mitarbeitern Festigkeits-, Dynamik- und Akustikberechnungsprojekte sowoh in Form von externen Diensteistungen, as auch im Rahmen von abteiungsübergreifenden Engineeringprojekten für Kunden aus der gesamten Wet. 174

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