Leichtbau im Guss. Möglichkeiten und Grenzen der Simulation von Druckgießprozessen. Dr. Ing. Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte

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1 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Möglichkeiten und Grenzen der Simulation von Druckgießprozessen Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 1

2 Gliederung Kurzvorstellung der Firma Flow Science Deutschland GmbH Einführung Historische Entwicklung der Simulation von Gießprozessen Simulation von Formfüll und Erstarrungsvorgängen Möglichkeiten und Grenzen der Simulation von Druckgießprozessen Prognose von Gussfehlern Prognose von Bauteileigenschaften Möglichkeiten der Simulation Grenzen der Simulationstechnik Zusammenfassung Folie 2

3 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Vorstellung der Flow Science Deutschland GmbH Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 3

4 Die Firma... Flow Science Deutschland GmbH Gründung: im Mai 2012 durch Abspaltung des FLOW-3D Geschäfts von der CFD Consultants GmbH CFD Consultants GmbH: Ingenieur und Beratungsbüro Durchführung von Strömungssimulationen Vertrieb von FLOW-3D (bis zur Abspaltung) Flow Science Deutschland GmbH: Sitz in Rottenburg am Neckar Partner der Flow Science Inc. (Entwickler von FLOW-3D) mehr als 100 Kunden aus Industrie, Forschung und staatlichen Institutionen enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Universitäten und Industriepartnern Folie 4

5 Die Firma... Flow Science Deutschland GmbH Dienstleistungsspektrum: Druckguss Simulation mit FLOW 3D Vertrieb, Lizenzierung und Support der Software FLOW-3D Kundenspezifische FLOW-3D Schulungen und Seminare Simulationsprojekte für die Gießereiindustrie mit FLOW-3D Unterstützung bei der Produktentwicklung (Entwurf bis Serienfertigung) Strömungssimulationen auf verschiedenen Anwendungsgebieten (Wasserbau, Mikrofluidik,...) Individuelle Schulungen und Seminare (Auslegung von Gieß und Temperiersystemen,...) Softwareentwicklung und anpassung Folie 5

6 Die Firma... Flow Science Deutschland GmbH Internetauftritt: Internetauftritt der Flow Science Deutschland GmbH Alle wichtigen Informationen rund um die Software FLOW-3D Hardwarevoraussetzungen Möglichkeiten der Software Anwendungsbeispiele News (Presse, Veranstaltungen, ) Alle wichtigen Informationen rund um die Anwendungsberatung Kontaktinformationen Downloads Tipps & Tricks / FAQ Dienstleistungsspektrum Schulungen und Seminare Simulationsberechnungen Folie 6

7 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Einführung Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 7

8 Einführung Simulation gießereitechnischer ereitechnischer Prozesse 5000 Jahre Gießen von Metallen, das bekannte Buch der Geschichte des Gießens zeigt die enorme Leistungsfähigkeit der Gießer und ihre wichtigen Beiträge für die Entwicklung der Zivilisation auf. Es dokumentiert aber auch die enorme Leidensfähigkeit der Gießer, die den Fortschritt ausschließlich durch Versuch und Irrtum und damit durch Erfahrungswissen erkämpfen konnten. Mit der Entwicklung von Simulationsmethoden für die Prozessbeschreibung des Gießens wurde das Verfahren, dass Jahrhunderte lang als Kunst angesehen wurde, erstmals berechenbar. [1] [Quelle: [1]: E. Flender und J. C. Sturm: Simulation gießereitechnischer Prozesse Giesserei 05/2009 (100 Jahre VDG) Folie 8

9 Einführung Simulation gießereitechnischer ereitechnischer Prozesse Die Ideen zur Nutzung von physikalischen Modellen zur Vorhersage des Gießens und Erstarrens kamen dabei von Physikern, Mathematikern und Maschinenbau Ingenieuren. Bei den Gießern herrschte zunächst überwiegend große Skepsis ( Um das Wärmezentrum zu finden, brauchen wir keinen Rechner ). Dennoch ist die Gießprozess Simulation insbesondere in den letzten 15 Jahren als Werkzeug in den Gießereien akzeptiert. Die Gießer haben erkannt, dass Simulationsprogramme mehr bieten, als einen Einblick in die schwarze Kiste. [1] [1]: E. Flender und J. C. Sturm: Simulation gießereitechnischer Prozesse Giesserei 05/2009 (100 Jahre VDG) Folie 9

10 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Historische Entwicklung der Simulation von Gießprozessen Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 10

11 Historische Entwicklung der Simulation von Gießprozessen Geschichte 1940 erster Beitrag zur mathematischen Beschreibung der Erstarrung von Gussstücken durch Chworinoff (Modul Methode) 1943 qualitative Methode zur Erzielung einer gelenkten Erstarrung in Richtung der Speiser durch Heuvers (Heuvers sche Kreismethode) 1950 bis 1960 Nutzung analoger Computer, um die Bewegung der Erstarrungsfront in einer und zwei Dimensionen vorherzusagen 1962 Fursund nutzte erstmalig digitale Computer zur Lösung gießrelevanter Probleme ungünstige nstige Gestaltung Lunkergefährdung 1965 Hentzel und Keverian veröffentlichen ihre bahnbrechende Arbeit zur zweidimensionalen Simulation des Wärmetransports günstige Gestaltung 1968 Vestby programmierte ein 2D Modell zur Untersuchung der Temperaturverteilungen beim Schweißen (erstmalige Nutzung der Finite Differenz Methode) Folie 11

12 Historische Entwicklung der Simulation von Gießprozessen Geschichte 1970 Hirt, Cook und Butler veröffentlichen wichtige Arbeiten zur Berechnung des Fließens von inkompressiblen Flüssigkeiten mir freien Oberflächen 1975 Promotion von Hansen mit einer Arbeit zur Simulation des Warmrissverhaltens (erstmalige Programmierung eines 3D Modells) 1981 Hirt und Nichols veröffentlichen Ihre Arbeit zur Entwicklung der VOF Methode Mitte der 80er Jahre Vermarktung der ersten kommerziellen Simulationsprogramme 1990er Jahre Entwicklung der Spannungssimulation in Gussteilen sowie erste Schritte zur Vorhersage von Gefügen und Eigenschaften Die Gießsimulation etablierte sich als die wichtigste Innovation der Gießerei Branche in der Zeit von 1965 bis Sie hat die Entwicklung und Produktion von Gussteilen revolutioniert und auf eine ganz neue Grundlage gestellt. Folie 12

13 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Simulation von Formfüll und Erstarrungsvorgängen Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 13

14 Numerische Simulation Ziele der Anwendung Unterstützung der Bauteilentwicklung und Konstruktion Anforderungs, fertigungs und werkstoffgerechte Bauteilkonstruktion Bestmögliche Eigenschaften des Gussbauteils Gefüge, mechanische Eigenschaften, Eigenspannungen Vermeidung von formfüllbedingten Gießfehlern Oxideinschlüsse, Lufteintrag, Kaltfließstellen, Vermeidung von erstarrungsbedingten Fehlern Hot Spots, Lunker, Porositäten, Risse, Verzug, Unterstützung bei der Werkzeugauslegung Anschnittsystem, Temperiersystem, Spannungen, Verzug, Risse, Lebensdauer, Prozessoptimierung Prozessparameter (Zykluszeiten, Schusskurve, Temperaturen, ) Ausschussreduzierung bzw. vermeidung Qualitätssicherung, Standzeiten Folie 14

15 Numerische Simulation Realität t und Modell Simulation ist immer nur ein Abbild der Realität je genauer die Annäherung (Netz, Geometrie, Modelle, Lösungsverfahren) desto besser die Ergebnisse damit verbunden sind im Allgemeinen längere Rechenzeiten Ziel der Simulation: Optimum zwischen Rechenzeit und Genauigkeit Prozess Realität Modellierung Ergebnisse Modell T t ρ( T ) cp ( T ) = div[ λ( T ) gradt ] + W& ( T, x, t) α ( grad T ) = ( T T ) λ n Simulation r Wichtiger Punkt der Simulation ist die richtige Interpretation der Ergebnisse (Übertragung auf realen Prozess). Verifizierung Folie 15

16 Numerische Simulation Prinzipieller Ablauf der numerischen Simulation des Gießprozesses PREPROCESSING Start: Simulation Import der CAD-Daten Daten Generierung der Simulationsgeometrie CAD-Daten Daten PREPROCESSING MAINPROCESSING Definition der Anfangs- und Randbedingungen Eingabe der Materialdaten Simulationsrechnung Material-Datenbank MAINPROCESSING POSTPROCESSING Berechnung von Kriteriumsfunktionen Visualisierung & Auswertung der Ergebnisse Ende: Simulation Kriteriumsfunktionen POSTPROCESSING Folie 16

17 Pre Processing Vernetzung der Geometrie Vernetzung: Import der CAD Geomerie (automatische) Vernetzung der kompletten CAD Daten (Gussteil, Form, ) Automatische FAVOR TM Vernetzung in FLOW 3D 3D Vernetzung in in FLOW 3D CAD Daten Daten ( (STL Datei )) Folie 17

18 Pre Processing Prozessparameter Modellierung des Projektes: Definition der Anfangs und Randbedingungen Vorgabe der physikalischen Materialdaten Definition der Prozessparameter (Schusskurve, ) Modellerstellung in FLOW 3D Schusskurve Geometrie Materialdaten Folie 18

19 Main Processing Simulationslauf Berechnung der Ergebnisse: Starten des Solvers Kontrolle und Verfolgung der Simulation Möglichkeit der Steuerung des Rechenlaufes Projektmanagement FLOW 3D 3D GUI Simulate / Navigator / Queue Anzeige von von Ergebnissen während der der Berechnung Queue Simulationslauf Folie 19

20 Post Processing Auswertung der Simulationsergebnisse Auswertung der Ergebnisse: verschiedene Möglichkeiten der Ergebnisdarstellung und Auswertung Strömungsgeschwindigkeit FLOW 3D 3D Benutzeroberfläche Display Oxidfehler Folie 20

21 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Möglichkeiten und Grenzen der Simulation von Druckgießprozessen Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 21

22 Simulation von Gießprozessen Beispielhafte Ergebnisse von FLOW-3D Ergebnisse der Formfüllung: Schmelzeverlauf, Verwirbelungen, Aufeinandertreffen von Schmelzefronten Strömungsgeschwindigkeiten (Anschnittgeschwindigkeiten) Temperaturen der Schmelze Vorerstarrungen, Kaltlauf (in der Füllkammer bzw. im Gussteil) Fließweglängen und Fließzeiten Fließfiguren Lufteintrag in die Schmelze Lufteinschlüsse Druck in der Kavität Oxidbildung und transport Bereiche der letzten Füllung Kavitationsschäden Folie 22

23 Simulation von Gießprozessen Beispielhafte Ergebnisse von FLOW-3D Ergebnisse der Erstarrungsberechnung: Lunker in einem Gussteil Temperaturen der Schmelze Werkzeugtemperaturen (Zyklus, Temperierung, ) Mikro Porositäten Gefügeparameter (Korngröße, DAS) Mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit, Dehngrenze, ) Lunker und Poren Nachdruckwirkung (Speisung, Porositätsminderung) Warmrisse Spaltbildung (zwischen Werkzeug und Gussteil) Eigenspannungen und Verzug [Quelle: Folie 23

24 Deutschland Simulation von Gießprozessen Modelle zur Fehlerprognose in FLOWFLOW-3D Voraussetzung: Ö Die Modelle für Gussfehler prognose liefern nur exakte und verwertbare Ergeb nisse, wenn die Bewegung der Schmelze (Formfüllung) genau beschrieben wird. 3D 3D Darstellung der Temperatur (Druckguss) Ö Die TrueVOFTM Technik in FLOW-3D ermöglicht in Zusammenhang mit der FAVORTM Methode eine akkurate Beschreibung der Schmelzebewegung selbst bei sehr hohen Strömungs geschwindigkeiten. Folie 24

25 Simulation von Gießprozessen Modelle zur Fehlerprognose in FLOW-3D Verifizierung: Vergleich zwischen Simulation (Formfüllung mit Modellierung der Kolbenbewegung) und Experiment (exakte Abbildung der Prozesses) Simulation Experiment Experiment Simulation Folie 25

26 Prognose von Gussfehlern Oxidfehler Simulationsergebnis: Bereiche mit hoher Gussfehlerwahrscheinlichkeit bedingt durch Luftkontakt der Schmelze (Oxidfehler, Oxideinschlüsse, Oberflächenfehler) Aufzeichnung der Dauer des Luftkontaktes der Schmelzefront unter Berücksichtigung der Größe der freien Schmelzeoberfläche C + u C = Rate t δ t 1, at free surface δ = 0, in the bulk 3D Darstellung Darstellung der Oxidbildung mit FLOW 3D Bereiche mit mit Oxidfehlern innerhalb des des Gussteils Folie 26

27 Prognose von Gussfehlern Oxidfehler Modellbeschränkungen: keine Modellierung des chemischen Prozesses Oxidation direkte Abbildung der Oxidschicht im Netz nicht möglich (erfordert Vernetzung im µm Bereich) skalare Größe, ein Wert für jede Zelle (Abhängigkeit von der Gitterauflösung) keine Berücksichtigung von weiteren Phänomenen, wie z.b. Schwimmen, Kleben, Aufschmelzen oder Aufreißen der Oxidschicht keine Rückkopplung auf die Bewegung der Schmelze nur qualitative Aussagen möglich (keine quantitativen Aussagen) REM Aufnahme eines Oxideinschlusses Oxideinschluss Folie 27

28 Prognose von Gussfehlern Lufteintrag in die Schmelze Simulationsergebnis: Bereiche mit hoher Gussfehlerwahrscheinlichkeit bedingt durch in die Schmelze eingewirbelte Luft 3D Darstellung Darstellung der eingewirbelten Luft mit FLOW 3D C t air + u C air = R t ( 1 C ) air (hohe Turbulenzen und große Schmelzeoberfläche während des Formfüllprozesses) g Folie 28

29 Prognose von Gussfehlern Lufteintrag in die Schmelze Modellbeschränkungen: keine 2 Phasen Strömung (Luftströmung wird nur über Drift Flux Modell berücksichtigt) skalare Größe, ein Wert für jede Zelle (Abhängigkeit von der Gitterauflösung) nur qualitative Aussagen möglich (keine quantitativen Aussagen) Gasporositäten ten in einem Gussteil Simulation Zellgröße e 0,5 0,5 mm mm Röntgenaufnahme Folie 29

30 Deutschland Prognose von Gussfehlern Lufteinschlüsse Simulationsergebnis: Ö Bereiche mit eingeschlossener Luft (innerhalb des Gussteils) Ö Darstellung des Luftdrucks Ö abgeschlossene Bereiche werden als adiabatic bubble bubble behandelt V p = p0 V0 3D 3D Darstellung des Luftdruckes mit FLOW FLOW 3D Lufteinschlü üsse Lufteinschl Lufteinschlüsse γ γ = 1.4 for air Ö Formentlüftung über valve valve VALC = A Cd Y 2 ρ Folie 30

31 Prognose von Gussfehlern Lufteinschlüsse sse Modellbeschränkungen: keine 2 Phasen Strömung (Luftströmung wird nicht berücksichtigt) skalare Größe, ein Wert für jede Zelle (Abhängigkeit von der Gitterauflösung) bei Definition der Geschwindigkeit (als Randbedingung) können Luftblasen fast vollständig komprimiert werden (Druck steigt entsprechend) Lufteinschlüsse sse in in Gussteilen Folie 31

32 Prognose von Gussfehlern Kaltlauf, Vorerstarrungen Simulationsergebnis: Temperatur (Schmelze, Form, Luft) Verfolgung kalter Schmelzefronten Bereiche mit hohem Kaltlaufrisiko (hoher Anteil an erstarrtem Material) Veränderung der Fließeigenschaften durch einsetzende Erstarrung nicht ausgelaufene Bereiche bedingt durch Kaltlauf bzw. Vorerstarrungen 3D Darstellung Darstellung von Kaltlauf mit FLOW 3D Kaltlauf Folie 32

33 Prognose von Gussfehlern Kaltlauf, Vorerstarrungen Modellbeschränkungen: halbempirisches Modell keine Mikrostruktursimulation (keine direkte Modellierung der Gefügebildung im Rahmen der ablaufenden Erstarrung und der damit zusammenhängenden Schmelzeeigenschaften) Solid fraction ist skalare Größe, ein Wert für jede Zelle (Abhängigkeit von der Gitterauflösung) Modellierung von Erstarrungseffekten von dünnen Randschale (Oberfläche der Formeinsätze) erfordert sehr feine Vernetzung (hohe Rechenzeiten) Kaltfließstelle [Quelle: Folie 33

34 Prognose von Gussfehlern Erstarrungslunker Simulationsergebnis: Bereiche mit Erstarrungslunkern Berechnung der Volumenänderung für jede Zelle (unter Berücksichtigung von Nachdruckwirkung, ) 3D Darstellung Darstellung der Lunker mit FLOW 3D Δ V = Δ V l s 1 ρ l ρs Export als alsstl Datei Folie 34

35 Prognose von Gussfehlern Erstarrungslunker Modellbeschränkungen: halbempirisches Modell keine Mikrostruktursimulation (keine Berücksichtigung der realistischen Gefügebildung und der damit zusammenhängenden erstarrungsbedingten Lunkerbildung) skalare Größe, ein Wert für jede Zelle (Abhängigkeit von der Gitterauflösung) CT Untersuchung der Lunker in einem Gussteil [Quelle]: Folie 35

36 Prognose von Gussfehlern Mikroporosität Simulationsergebnis: Mikroporosität (Mikrolunker) Darstellung des Volumendefizits 3D Darstellung Darstellung der Mikroporosität t mit FLOW 3D ( Vold ΔV ) ρnew = Vold ρold (entsteht zumeist am Ende des Erstarrungsprozesses) intensification pressure solid fraction FSCR metal pressure pore pressure time microporosity forms Folie 36

37 Prognose von Gussfehlern Mikroporosität Modellbeschränkungen: halbempirisches Modell keine Modellierung des sich ausbildenden Gefüges skalare Größe, ein Wert für jede Zelle (Abhängigkeit von der Gitterauflösung) Mikroporosität t in einem Gussteil (Schliffbild) Mikroporosität Folie 37

38 Prognose von Bauteileigenschaften Gefüge Simulationsergebnis: Korngrößen, primärer und sekundärer DAS (Kriteriumsfunktion) 3D Darstellung Darstellung des DAS mit FLOW 3D d S = d S β L S ( t ) = α = α t β E T T T& 1 E 1 Folie 38

39 Prognose von Bauteileigenschaften Gefüge Modellbeschränkungen: keine direkte Modellierung der Bildung des Gefüges (z.b. Dendritenwachstum, Entwicklung der Korngröße, ) Mikrostruktursimulation kann derzeit nur in kleinen Ausschnitten die Gefügebildung berechnen physikalischen Vorgänge sind nicht genau bekannt derzeitig verfügbare Hardware erlaubt noch keine effektive Kopplung von Mikrostrukturund Gießprozess Simulation (ungenügend Hauptspeicher, sehr lange Rechenzeiten, ) Dendritenwachstum Mikrostruktursimulation FEM Netz Folie 39

40 Prognose von Bauteileigenschaften Mechanische Eigenschaften 250 [N mm ] p0,2 = (175 ± MPa ± 5) 5) R R p0,2 = p0,2 = (175 (175 ±13) ±13) MPa R MPa R m = m = (236 (236 ±5) ±5) MPa MPa Realität Korrelation Korrelation Spannung σ E ± E= = (74 (74 ±3) ±3) GPa GPa 50 A A = (1,0 ± 0,1) % A= = (1,0 (1,0 ±0,1 ±0,1) 0,1) ) % % 0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 [%] 1,5 1,8 Dehnung ε Erstarrungsprozess Gefüge Bauteileigenschaften Simulation Kriteriums funktion Kriteriums funktion Erstarrungsprozess Gefüge Bauteileigenschaften Folie 40

41 Prognose von Bauteileigenschaften Mechanische Eigenschaften Simulationsergebnis: Darstellung von Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung (Kriteriumsfunktion) Modellbeschränkungen: keine direkte Modellierung der Gefügebildung und der sich herausbildenden mechanischen Eigenschaften basiert auf empirischen bzw. halbempirischen Zusammenhängen genaue physikalische Gesetzmäßigkeiten sind teilweise noch unbekannt Mechanische Eigenschaften eines Gussteils Folie 41

42 Prognose von Bauteileigenschaften Spannungn und Verzug Simulationsergebnis: Darstellung von Spannungen und Verzug in Bauteil und Form Kriteriumsfunktionen (Warmrissneigung, Lebensdauer, ) Modellbeschränkungen: genaue physikalische Gesetzmäßigkeiten sind teilweise noch unbekannt (derzeitige Modelle können nicht alle Phänomene genau beschreiben) derzeitig verfügbare Hardware (RAM) setzt Grenzen hinsichtlich der notwendigen Netzfeinheit Berechnung der Eigenspannungen in einem Gussteil mit FLOW 3D automatische FEM Vernetzung Eigenspannungen Folie 42

43 Prognose von Formbeschädigungen Kavitation Simulationsergebnis: Bereiche mit Risiko für Kavitationsschäden der Form 3D Darstellung Darstellung der Kavitation mit FLOW 3D C = t 0 max( p CAV p,0,0) dt Modellbeschränkungen: direkte Modellierung (Entstehung, Transport und Kollabierung) der Kavitationsblasen mit vertretbarem Aufwand (Hardware, Rechenzeit) nicht möglich nur Potenzialmodell (Integration) Kavitationsbläschen schen an an einer Schiffsschraube Folie 43

44 Möglichkeiten der Simulationstechnik Optionen für f r Simulationsberechnung Weiterführende Simulationsergebnisse: Tracerfunktion Fließweglänge Schmelzealter, Schmelzekontakt benetzte Fläche Sensoren (Temperatur, Volumenströme, ) (Punkte, Flächen, Volumen) Kräfte auf Objekte Aufenthaltszeit Fließweglänge Tracer Folie 44

45 Möglichkeiten der Simulationstechnik Lösung spezieller Fragestellungen Füllkammer: Schmelzetransport zur Gießkammer (Pfanne, Rinne, ) Befüllung der Gießkammer (Vermeidung von Turbulenzen, hohen Temperaturverlusten, ) Druckguss Simulation mit FLOW 3D Folie 45

46 Möglichkeiten der Simulationstechnik Lösung spezieller Fragestellungen Füllkammer: Badbewegung in der Füllkammer durch die Kolbenbewegung (kein Schmelzeüberschlag, ) Lufttransport aus der Füllkammer (keine Lufteinschlüsse, ) Temperaturverlust der Schmelze Oxidbildung und Vorerstarrungen in der Gießkammer Simulation einer Kammerbefüllung mit FLOW 3D Folie 46

47 Möglichkeiten der Simulationstechnik Lösung spezieller Fragestellungen Einlegeteile: Untersuchung von Gießprozessen mit Einlegeteilen (z.b. Keramikinsert) Druckguss Simulation mit FLOW 3D Infiltrationsverlauf, Erstarrungsverlauf in der Keramik, Kräfte auf das Keramikinsert, BMW Werk Landshut Hubert Lang Oktober 2012 Freude am Fahren Folie 47

48 Möglichkeiten der Simulationstechnik Lösung spezieller Fragestellungen Entlüftung über KinVac: Untersuchung von Gießprozessen mit speziellem Entlüftungssystem Entwicklung und Erprobung eines beweglichen Entlüftungsventils (KinVac) Simulation mit FLOW 3D Folie 48

49 Deutschland Möglichkeiten der Simulationstechnik Versuchskörper Lösung spezieller Fragestellungen 15 m/s Salzkerne: Ö Erprobung der Verwendung von Salzkernen im Druckguss Ö Untersuchung der Kräfte auf den Salzkern (Fluid Structure Interaction) 35 m/s Mean Iso Stress -6.5 MPa 6.5 MPa Folie 49

50 Möglichkeiten der Simulationstechnik Darstellung der Ergebnisse Post processor processor: Darstellung aller Ergebnisse möglichst automatische Reportgenerierung Möglichkeit des Exports der berechneten Ergebnisse Weiterverarbeitung der Ergebnisse (z.b. Einbindung in Powerpoint) interaktive Betrachtung und Auswertung der Ergebnisse durch den Kunden (Drehen, Zoomen, Slicen; Schneiden, während der Animation) virtuelle Betrachtung der Ergebnisse Interaktive 3D Darstellung Darstellung der Temperatur (Druckguss) Ensight Folie 50

51 Möglichkeiten der Simulationstechnik Softwareanpassung über User Routinen Anpassung bestehender FLOW-3D Modelle zur Erweiterung ihrer Funktionalität z.b. Viskositätsgesetz, Dichtebeschreibung, spezielle Erstarrungsmodelle, Generierung eigener Berechnungsmodelle z.b. Qualitätsindex FORTRAN Code Folie 51

52 Möglichkeiten der Simulationstechnik Automatische Optimierung Nutzung von Optimierungsalgorithmen Automatische Optimierung von Geometrie und Gießparametern hinsichtlich bestimmter Zielvorgaben (z.b. wenig Turbulenzen, minimaler Lufteintrag, wenig Oxidbildung, Vermeidung von Lunkern, geringe Mikroporosität, ) Folie 52

53 Grenzen der Simulationstechnik Derzeitig offene Problemstellungen (kleine Auswahl) Modellierung: sehr große dünnwandige Bauteile erfordern sehr feine Vernetzung und gleichzeitig sehr viele Elemente lange Rechenzeiten und hohe Anforderungen an Rechentechnik (MPI Version) Formfüllung Simulation von Strukturbauteilen in FLOW 3D Zyklusberechnung Problembereich Folie 53

54 Grenzen der Simulationstechnik Derzeitig offene Problemstellungen (kleine Auswahl) Modellgröß öße: Hardware setzt Grenzen (Zellgröße, ) Berechnungszeiten müssen in einem vernünftigen Rahmen bleiben 80,0 70,0 Rechenzeiten in Abhängigkeit von der Zellgröße am Beispiel einer FLOW 3D Simulation Rechenzeiten [h] 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 2,00 1,88 1,75 1,63 Zellgröße [mm] 1,50 1,38 1,25 1,13 1,00 Folie 54

55 Grenzen der Simulationstechnik Derzeitig offene Problemstellungen (kleine Auswahl) Trennmittel: Auftragen von Trennmitteln Abwaschen und Transport während der Formfüllung (Veränderung Wärmeübergangskoeffizient, ) Verbleib im Bauteil (ggf. Verschlechterung der Gussteileigenschaften) Sprühprozess: keine realistische Modellierung des Sprühprozesses (Abbildung durch Ersatzmodelle) Fehler bei der genauen Modellierung des Wärmehaushaltes der Druckgussform (Zyklusprozess) Schmelze: keine Berücksichtigung der genauen chemischen Zusammensetzung und Behandlung der Schmelze (Einfluss auf Materialdaten, Gefügebildung, Gussfehler, mechanische Eigenschaften, ) Folie 55

56 Grenzen der Simulationstechnik Derzeitig offene Problemstellungen (kleine Auswahl) Kinematik: keine Modellierung der Kinematik der einzelnen Komponenten einer Druckgussform (Formhälften, Schieber, Kernstifte, ) die dabei wirkenden Kräfte werden nur annähernd oder gar nicht in Spannungssimulationen berücksichtigt (Ungenauigkeiten bei der Spannungsanalyse) veränderte Kontaktbedingungen haben auch Einfluss auf Wärmehaushalt der Form (Ungenauigkeiten bei der Berechnung von Zyklusprozessen) Probleme beim Auswerfen von Gussteilen nur schwer realistisch identifizierbar Rissnetzwerk und Folgeschädigungen: keine realistische Modellierung der Entstehung und Ausbreitung von Warmrissen in der Form (Rissnetzwerk) nur annähernde Prognose von Formschädigungen und Standzeiten möglich Ausbröckelungen Rissnetzwerk Folie 56

57 Grenzen der Simulationstechnik Derzeitig offene Problemstellungen (kleine Auswahl) Temperierungssystem: keine Berücksichtigung der realistischen Strömung des Temperiermediums (lange Rechenzeiten) dadurch Fehler bei der Berechnung des Wärmehaushaltes der Druckgussform (lokal unterschiedliche Geschwindigkeiten, Temperaturen, Wärmeübergangskoeffizienten, ) Materialdaten: notwendige temperaturabhängige physikalische Materialdaten liegen teilweise nur unvollständig vor Bestimmung ist teilweise schwierig, zeitaufwendig und kostenintensiv Messungen unterliegen zumeist bestimmten Einschränkungen (Daten nicht allgemeingültig) exakte Wärmeübergangskoeffizienten sind zumeist unbekannt Materialdatenbanken sind oft sehr teuer Folie 57

58 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Zusammenfassung Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 58

59 Zusammenfassung Numerische Simulation von Gießprozessen Die Anforderungen an Funktionalität und Qualität von Gussteilen und an die Produktivität und Zuverlässigkeit der Gießprozesse steigen ständig. Die gießtechnische Simulation ist heute ein anerkanntes und wichtiges Werkzeug zur Berechnung von Gießprozessen und hat bereits einen hohen Anwendungsgrad erreicht. Sie stellt wesentliche Informationen zur Beurteilung der zu erwartenden Bauteileigenschaften und der Gussqualität bereit. Der Einsatz von Simulationsprogrammen ist somit ein wichtiges Hilfsmittel sowohl für Entwicklung und Konstruktion als auch für die Fertigung. Folie 59

60 Zusammenfassung Numerische Simulation von Gießprozessen Simulation ermöglicht die Berechnung von Formfüllung, Erstarrung und Abkühlung sowie die Vorhersage wichtiger Bauteileigenschaften von Gussteilen und ist somit eine umfassende Komplettlösung für Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung. Trotz dieser vielfältigen Möglichkeiten heutiger Simulationsprogramme besitzen sowohl die Software und die verwendeten physikalischen Modelle als auch die zur Verfügung stehende Hardware noch zahlreiche Grenzen und Einschränkungen. [Quelle: Folie 60

61 Leichtbau im Guss Effizienz durch Innovation im Druckguss Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Ing Ing.. Dipl. Phys. Matthias Todte Folie 61