Giessereitag 2014: Optimierung von Gusssimulationen für Niederdruckguss von Messingwerkstoffen. Pascal Dessarzin, 14. April 2014

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1 Giessereitag 2014: Optimierung von Gusssimulationen für Niederdruckguss von Messingwerkstoffen Pascal Dessarzin, 14. April 2014

2 Inhalt: Einleitung Das Projekt im Überblick Motivation Gusssimulationen Gusssimulationen Einflussgrössen Optimierungen Versuche im Labor Versuche am Modellwerkzeug im Niederdruckguss Ergebnisse am Realbauteil im Niederdruckguss Parameterstudie Prozessparameter und Materialdaten Zusammenfassung Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 2

3 Das Projekt: Innovative Messingbauteile unter den Aspekten Prozess, Werkstoff, Gefüge und Gusssimulation KTI Projekt in Zusammenarbeit mit KWC AG, AFT Switzerland GmbH und der FHNW Projektumfang: Arbeitsroutine zur Bestimmung des α/β Phasengehalts Prozessanalyse: Temperaturerfassung Prozessdruck Optimierung der Gusssimulationen: Versuche auf Labor Ebene Validierung an Bauteilen aus der Serienproduktion Parameterstudie Einfluss von Prozessparameter und Materialdaten Verschiedene Gusslegierung charakterisieren bezüglich Giesseigenschaften, Gussgefüge und chemischer Beständigkeit Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 3

4 Gusssimulationen Motivation Wozu eine Gusssimulation? Abbildung vom Giesssystem und Giessprozess Vorhersagen in kurzer Zeit Verschiedene Varianten testen ohne materiellen und konstruktiven Aufwand Kokille, Giesssystem und ev. auch Bauteil Hilfe beim Auslegen vom Giesssystem und den Prozessparametern Zeit und Kostenersparnis gegenüber realen Experimenten Probleme können visualisiert und erkannt werden Dadurch Optimierung des Giessprozesses Bsp. Flüssigphasenanteil bei t=9s Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 4

5 Inhalt: Einleitung Das Projekt im Überblick Motivation Gusssimulationen Gusssimulationen Einflussgrössen Optimierungen Versuche im Labor Versuche am Modellwerkzeug im Niederdruckguss Ergebnisse am Realbauteil im Niederdruckguss Parameterstudie Prozessparameter und Materialdaten Zusammenfassung Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 5

6 Gusssimulationen Einflussgrössen Materialparameter: Guss: (Messing) Schmelzintervall Erstarrungsenthalpie Wärmekapazität Dichte Kokille: Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit Dichte (alles als Funktion von T) Prozessparameter: Bauteilgeometrie Giesssystem Giesstemperatur Kokillentemperatur Giessdruck (f(t)) Schlichte Wärmeübergang Simulationsparameter: Vernetzung mit / ohne Oberflächenspannung Niederdruckguss Modul / Standard Modul Randwerte Simulationssoftware MAGMA Resultat Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 6

7 Gusssimulationen Optimierungen Vorgehen im Projekt: 1. Materialdaten auf die kundenspezifischen Werkstoffe anpassen alle notwendigen Daten erfassen neuen Materialdatensatz in MAGMA erstellen 2. Prozessparameter an kundenspezifischen Giessprozess anpassen Wärmeübergang Guss Kokille Berücksichtigt entsprechendes Gussmaterial, Kokillenmaterial und Schlichte Temperaturen von Schmelze und Kokille erfassen Wichtige Input Parameter Verlauf des Giessdrucks Haltezeit Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 7

8 Inhalt: Einleitung Das Projekt im Überblick Motivation Gusssimulationen Gusssimulationen Einflussgrössen Optimierungen Versuche im Labor Versuche am Modellwerkzeug im Niederdruckguss Ergebnisse am Realbauteil im Niederdruckguss Parameterstudie Prozessparameter und Materialdaten Zusammenfassung Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 8

9 Gusssimulationen Optimierungen Wärmeübergang (HTC): Definition: HTC definiert den Wärmestrom welcher durch die betrachtete Grenzfläche abfliessen kann als Funktion der Temperatur Einguss System Guss Einheit vom HTC(T) : Kokille = Wärmestrom Wieso den Wärmeübergang optimieren? MAGMA empfiehlt für Niederdruckguss Effekte bei der Erstarrung werden dadurch nicht berücksichtigt: Schrumpfung / Spaltbildung Flüssig Fest Fest Fest T sol T liq Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 9

10 Gusssimulationen Optimierung Wärmeübergang Wie kann der Wärmeübergang berechnet werden? (Schwerkraft Kokillenguss) Formel: HTC α Wärmestrom (aus der Abkühlrate vom Guss ableitbar) betrachtete Fläche Temperaturdifferenz an der Grenzfläche Experiment: Messing in instrumentierte Kokille giessen Thermoelemente in Kokille Instrumentierte Kokille Thermoelemente in verschiedenen Abständen zur Grenzfläche Thermoelemente in der Schmelze Grenzflächentemperatur Guss berechnen Berechnung des Wärmestroms (Konstruktion: Roman Schneeberger) Halterung für TC im Guss Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 10

11 Gusssimulationen Optimierung Wärmeübergang Der Wärmeübergang im Schwerkraft Kokillenguss wurde experimentell ermittelt und an vier Messungen ausgewertet W*m 2 *K 1 Der Wärmeübergang kann reproduzierbar gemessen werden Eine Reduktion des HTCs ist sichtbar bei der Erstarrung Im flüssigen Zustand konnte der HTC nicht bestimmt werden Ergänzende Messungen sind geplant Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 11

12 Gusssimulationen Optimierung Wärmeübergang Validierung: Vergleich der gemessenen Abkühlkurven mit den Simulationen TC im Guss Position Mitte 1x TC in Kokille 4mm Abstand zur Grenzfläche Durch ein anpassen der Materialdaten und des Wärmeübergangs kann das Simulationsergebnis wesentlich beeinflusst werden Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 12

13 Inhalt: Einleitung Das Projekt im Überblick Motivation Gusssimulationen Gusssimulationen Einflussgrössen Optimierungen Versuche im Labor Versuche am Modellwerkzeug im Niederdruckguss Ergebnisse am Realbauteil im Niederdruckguss Parameterstudie Prozessparameter und Materialdaten Zusammenfassung Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 13

14 Gusssimulationen Modellwerkzeug im Niederdruckguss Nächster Schritt: Simulation von einem Modellwerkzeug im Niederdruckguss und Validierung Knochen und Sanduhrprobe (Charakterisierung der Gusslegierung) Konus, Rampe und Balken (2,3,4 und 5mm) (Kalibration der Fliesslänge) Warmrissproben (Charakterisierung der Gusslegierung) Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 14

15 Gusssimulationen Modellwerkzeug im Niederdruckguss Nächster Schritt: Simulation von einem Modellwerkzeug im Niederdruckguss und Validierung Kalibration der Fliesslänge: Modellwerkzeug ohne Knochen und Sanduhrprobe Konus, Rampe und Balken (2,3,4 und 5mm) Warmrissproben Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 15

16 Gusssimulationen Modellwerkzeug im Niederdruckguss Simulation der Fliesslänge mit den Erkenntnissen aus den Laborversuchen Vergleich zum Abguss: T Guss : 1000 C Giessdruck: 500mbar Rampe: 5s Halten: 2s FHNW HTC FHNW Materialdaten Die Simulation berechnet die Fliesslänge zu lang Simulationsparameter (HTC) kann nicht direkt aus Laborversuchen übernommen werden Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 16

17 Gusssimulationen Modellwerkzeug im Niederdruckguss HTC muss an den Niederdruckgussprozess angepasst werden Versuch und Auswertung analog zu den Laborversuchen Instrumentierte Kokille Temperaturmessung in der Schmelze Aufzeichnen der Abkühlkurven Schwierigkeit: Prozessdauer sehr kurz Definition eines neuen HTC für NDG: Erkenntnisse aus den Laborversuchen berücksichtigen Neuen Daten aus Niederdruckgussprozess Erfahrung aus bisherigen Simulationen berücksichtigen Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 17

18 Gusssimulationen Modellwerkzeug im Niederdruckguss HTC muss an den Niederdruckgussprozess angepasst werden Versuch und Auswertung analog zu den Laborversuchen Instrumentierte Kokille Temperaturmessung in der Schmelze Aufzeichnen der Abkühlkurven Schwierigkeit: Prozessdauer sehr kurz Zum Vergleich: HTC von MAGMA: W*m 2 *K 1 konstant HTC FHNW (Laborversuche): W*m 2 *K 1 für T>T m HTC FHNW NDG: W*m 2 *K 1 für T>T m Definition eines neuen HTC für NDG: Erkenntnisse aus den Laborversuchen berücksichtigen Neuen Daten aus Niederdruckgussprozess Erfahrung aus bisherigen Simulationen berücksichtigen Ergänzende Labormessung über ganzes Temperaturintervall geplant Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 18

19 Gusssimulationen Modellwerkzeug im Niederdruckguss Neuer HTC für Niederdruckguss definiert Erneute Validierung der Simulation Vergleich der Simulationen mit FHNW und MAGMA Parameter Fliesslängen T Guss : 1000 C Giessdruck: 500mbar Rampe: 5s Halten: 2s FHNW HTC NDG FHNW Materialdaten Simulationen bilden die Fliesslänge gut ab Weitere Validation mit anderen Prozessbedingungen : Minimale Unterschiede zwischen den Simulationen Allgemein gute Übereinstimmung Simulation Abguss Magma HTC Magma Materialdaten Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 19

20 Gusssimulationen Modellwerkzeug im Niederdruckguss Neuer HTC für Niederdruckguss definiert Erneute Validierung der Simulation Vergleich der Simulationen mit FHNW und MAGMA Parameter Prozessende T Guss : 1000 C Giessdruck: 500mbar Rampe: 5s Halten: 2s FHNW HTC NDG FHNW Materialdaten Magma HTC Magma Materialdaten Unterschiede in den Simulationsergebnissen erkennbar FHNW Parameter bilden das Auslaufen besser ab Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 20

21 Inhalt: Einleitung Das Projekt im Überblick Motivation Gusssimulationen Gusssimulationen Einflussgrössen Optimierungen Versuche im Labor Versuche am Modellwerkzeug im Niederdruckguss Ergebnisse am Realbauteil im Niederdruckguss Parameterstudie Prozess und Materialdaten Zusammenfassung Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 21

22 Gusssimulationen am Realbauteil Bauteil: Wasserarmatur zweifach Werkzeug Ziel: Simulation soll ohne Anpassungen gültige Vorhersagen liefern Vorgehen: Simulation mit FHNW Parametern Simulation mit MAGMA Parametern Vergleich Simulationen Abguss Prozessparameter: Standard wie in Serienproduktion T Guss = 1015 C Giessdruck = 450mbar Rampenzeit = 4.5s Haltezeit = 8s Steiger Anguss Steigrohr Kern Wasserarmatur Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 22

23 Gusssimulationen am Realbauteil Fliesslängen: FHNW HTC NDG FHNW Materialdaten Magma HTC Magma Materialdaten Gute Korrelation zwischen Simulation und Experiment Minimale Unterschiede zwischen MAGMA und FHNW Parameter Die Validierung wurde mit verschiedenen Prozessparametern überprüft und bestätigt Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 23

24 Gusssimulationen am Realbauteil Prozessende: FHNW HTC NDG FHNW Materialdaten Magma HTC Magma Materialdaten Unterschiedliche Vorhersagen bei Prozessende Bessere Ergebnisse mit FHNW Einstellungen Die Simulation kann ohne Anpassungen auf das Realbauteil übertragen werden Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 24

25 Inhalt: Einleitung Das Projekt im Überblick Motivation Gusssimulationen Gusssimulationen Einflussgrössen Optimierungen Versuche im Labor Versuche am Modellwerkzeug im Niederdruckguss Ergebnisse am Realbauteil im Niederdruckguss Parameterstudie Prozess und Materialdaten Zusammenfassung Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 25

26 Parameterstudie Ziel: Aufzeigen vom Einfluss der Prozess und Materialparameter Vorgehen Simulationen am Modellwerkzeug «Kamm» ohne Sanduhr und Knochenprobe Erste Simulation mit Standard Parameter Davon ausgehend wird jeweils eine Abweichung simuliert: Kokillentemperatur 20K höher Dichte (Rho) vom Guss 20% tiefer Vergleich der Resultate Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 26

27 Parameterstudie Fliesslängen Standard Materialdaten (v17) Kokillentemp. 20K höher (v33) Zeit Füllgrad 3.55s 93.6% 3.55s 93.6% Standard Materialdaten (v17) Rho Guss 20% tiefer (v31) 3.55s 2.95s Institut für Produkt und Produktionsengineering 93.6% IPPE Giessereizentrum GZ 94.7% 27

28 Parameterstudie Prozessende Standard Materialdaten (v17) Kokillentemp. 20K höher (v33) Zeit Anteil erstarrt 10.0s 45.1% 10.0s 45.0% Standard Materialdaten (v17) Rho Guss 20% tiefer (v31) 10.0s 10.0s Institut für Produkt und Produktionsengineering 45.1% IPPE Giessereizentrum GZ 46.7% 28

29 Inhalt: Einleitung Das Projekt im Überblick Motivation Gusssimulationen Gusssimulationen Einflussgrössen Optimierungen Versuche im Labor Versuche am Modellwerkzeug im Niederdruckguss Ergebnisse am Realbauteil im Niederdruckguss Parameterstudie Prozess und Materialdaten Zusammenfassung Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 29

30 Zusammenfassung Untersuchte Prozesse konnten mit Gusssimulationen treffend abgebildet werden Durch Anpassen des HTC kann die Simulation an das Giessverfahren angepasst werden Schwerkraft Kokillenguss Niederdruckguss Innerhalb des selben Prozesses sind die Simulationseinstellungen übertragbar Modellwerkzeug «Kamm» Realteil Armatur Der optimierte Wärmeübergang liefert bessere Simulationsergebnisse bei Prozessende Beide HTC im flüssigen ähnlich Abweichung nach T sol Simulationsresultate unterscheiden sich ab Erstarrung Parameterstudie: Einfluss von Prozess oder Materialparametern kann abgeschätzt werden Neue Materialdaten können im Simulationsprogramm eingelesen werden Bei einem Werkstoffwechsel kann die Simulation eine Vorhersage betreffend den Auswirkungen liefern Mit dem Modellwerkzeug können Werkstoffe verglichen und charakterisiert werden Werkstoffeigenschaften (Warmriss, Lunkerneigung) und Prozesseinstellungen Kalibration und Validierung der Simulation Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 30

31 Danksagung Der KTI zur finanziellen Förderung des Projekts Allen Projektpartnern für die engagierte Mitarbeit: A. Fehlman, KWC A. Flühler, KWC K. Gretler, KWC K. Keller, KWC R. Rangl, AFT Dem Team an der Fachhochschule für die Unterstützung und die anregenden Diskussionen: T. Burbach Prof. J. Lagemann D. Thiriet Prof. Dr. A. Wahlen Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 31

32 Danke für die Aufmerksamkeit! Fragen? Institut für Produkt und Produktionsengineering IPPE Giessereizentrum GZ 32