16.05.2018 | Ausgabe 05/2018

Gussfehler durch Sandkerne vorhersagen – Simulation von Warmverzug und Binderzersetzung von Kernen

Gussqualität vorhersagen

Die konsequente und methodische Nutzung der Gießprozess-Simulation ist heute eine Voraussetzung für robuste Prozesse und wirtschaftliche Gussteil fertigung. Die virtuelle Abbildung der Gießprozesse sowie die Werkstoffmodellierung sind auf hohem Niveau. Qualität und Eigenschaften von Gussteilen lassen sich detailliert bewerten. Formstoffe sind besondere Werkstoffe, für die aufgrund ihrer porösen Struktur und ihrer binderspezifisch besonderen Eigenschaften in den letzten Jahren neue Modelle entwickelt wurden. Aktuelle Erweiterungen in der Prozess-Simulation ermöglichen die Berechnung des Warmverzugs von Kernen sowie die Modellierung der Binderzersetzung und der Entstehung der damit verbundenen Kerngase. Diese Entwicklungen verbessern die Möglichkeiten zur Vorhersage der mit der Herstellung von Formen und Kernen verbundenen Gussteilqualität.

Systematische Qualitätssicherung

Die Qualität der Formstoffe ist ein entscheidender Faktor in der Prozesskette der Gussfertigung. Formstoffbezogene Probleme und dadurch verursachte Gussfehler zu vermeiden, gehört zur täglichen Praxis einer Gießerei. Dabei ist die große Anzahl von Einflussgrößen auf die Form und Kernqualität bis zu ihrem Einsatz eine ständige Herausforderung. Sie wird von den Rohstoffen, ihrer Verarbeitung bis hin zur Anwendung in den konkreten Kernen und Formen bestimmt. Eine systematische Qualitätssicherung entlang der gesamten Prozesskette ist daher für die wirtschaftliche Herstellung von Guss genauso entscheidend wie das erforderlich eMaterial- und Prozesswissen. Durch die Nutzung von physikalischen Modellen für die Kern- und Formherstellung unterstützt die moderne Prozess-Simulation heute die Gießerei entscheidend bei der robusten Prozessauslegung und Gussteilfertigung.

Warmverzug von Sandkernen beim Gießprozess

Die Anforderungen an die Maßtoleranzen von Gussteilen steigen. Dies betrifft insbesondere dünnwandige Bereiche im Gussteil, in denen selbst kleine Verformungen, beispielsweise von Sandkernen, kritisch für die Einhaltung der geforderten Wandstärken und der Bauteilgeometrie sein können. Um die Verformungen bei Sandkernen möglichst klein zu halten, ist es wichtig, ihr thermisches und mechanisches Verhalten während des Gießens zu verstehen. Mit diesem Wissen kann mit Simulationsprogrammen vorher gesagt werden, wie sich der Formstoff während des Gießprozesses gerade bei besonders hohen Temperaturen verhält. Sandkerne verformen sich abhängig von ihrer thermischen Ausdehnung sowie von der Lage der Kernmarken. Bei langendünnwandigen Kernen spielen zusätzlich Auftriebskräfte zwischen Kern und Schmelze eine wichtige Rolle. Bei organischge bundenen Kernen können aufgrund von Kriecheffekten im Kunstharzbinder selbst geringe Auftriebskräfte zuzeit abhängigen Verformungen führen. Die hierzu vorgestellten Ergebnisse basieren auf Arbeiten des Forschungsclusters AMAP (Advanced Materials und Processes) in Aachen mit den Projektpartnern Nemak, MAGMA GmbH und dem Gießerei-Institut der RWTH Aachen.  Im Rahmen des Projektes wurde eine Methodik für mechanische Prüfverfahren entwickelt, um das Verhalten des gebundenen Formstoffs beim Gießen und unter Last umfassend zu charakterisieren. Auf dieser Basis wurde ein Materialmodell entwickelt, das den Werkstoff als poröses Medium behandelt [1].

Hierzu wurden Modelle aus der Bodenmechanik adaptiert, in denen die Festigkeit des Materials sowohl druck- als auch temperaturabhängig abgebildet wird [2–3]. Die Verformung in Abhängigkeit der Zeit (Bindererweichung und -zersetzung) wurde durchzusätzliche Kriechmodelle berücksichtigt. Darüber hinaus werden Effekte auf den Kern, die z. B. durch Auftriebskräfte verursacht werden, berechnet [4].

Das in dem Simulationsprogramm "MAGMA SOFT" implementierte Modell basiert auf einem modifizierten Drucker-Prager-Fließmodell [5], schematisch dargestellt in Bild 1. Experimente zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurden in 50 °-Schritten bis 450 °C durchgeführt, die Kriechversuche erst ab 200 °C, Bild 2. Die Validierung der Modelle erfolgte durch in-situ-Messungen, bei denen die Verformungen der Sandkerne während der Erstarrung mithilfe optischer Messverfahren als Funktion der Zeit quantitativ ermittelt wurden, Bild 3. Die Verformungsergebnisse aus den Simulationen  liefern aussagekräftige Informationen für das tatsächliche Verhalten von Kernen beim Abguss. Die Ergebnisse sind damit die Grundlage, die Verformung von Kernen bei hohen Temperaturen besser zu verstehen, vorherzusagen und zu beherrschen.

Quelle: Dr. Jesper Thorborg (V) und Dr.-Ing. Sanjeev Kumar

Binderzersetzung – Kerngase als Fehlerursache

Während des Gießprozesses entstehen in Kernen und Formen Gase durch die Zersetzung der organischen Binder und gegebenenfalls weiterer flüchtiger Bestandteile. Beim Einsatz von anorganischen Bindersystemen entstehen Gase primär durch das Verdampfen von Restfeuchte. Diese Gase sind häufig die Ursache von Gussfehlern, die aus der Kombination unterschiedlicher Einflussgrößen resultieren:

1. Summe flüchtiger Bestandteile undihrer Eigenschaften,

2. Kerngeometrie und der Kernlagerungin der Form, sowie

3. Gasbildung durch die thermische Belastung beim Gießprozess, der resultierenden Gasströmung durch den Kern sowie insbesondere der Gasentlüftung zum Abbau des Gasstoßes. 

Je nach Bindersystem und Zersetzungsverhalten entstehen zu unterschiedlichen Zeiten Gase, die sich unterschiedlich auf die Fehlerbildung auswirken können. Bei organischen Bindersystemen entstehen im Vergleich zu anorganischen Binderngrößere Gasmengen. Die Gase entstehen allerdings über einen längeren Zeitraum,sodass die resultierenden Gasdrücke nicht grundsätzlich zu gasbedingten Fehlern im Gussteil führen.

Gase, die kurzzeitig entstehen, wie der Wasserdampf aus anorganischen Bindern, können dann auch bei geringeren Mengen und entsprechenden Gasdrücken zu Problemen führen. Bei komplexen Kernen oder auch bei Kern-paketen sind Fehlerursachen in der Praxis aufgrund der vielfältigen Einflussgrößen und Effekte nicht immer eindeutig erkennbar. Während der Produktion auftretende Probleme können dann unter Umständen nicht zeitnah abgestellt werden.

Neu entwickelte Simulationsmodelle bilden diese Vorgänge virtuell ab und ermöglichen eine zielsichere Vorhersage der Fehlerrisiken durch Gase aus Kernen und Formen. Gas entstehung und Gastransport sind neben dem temperaturabhängigen Zersetzungs verhalten in besonderem Maße geometrie abhängig. Durch methodische Bewertung der relevanten Einflussgrößen können daher insbesondere die in der Konstruktionsphase vorhandenen Freiheitsgrade optimal genutzt werden.

Eine frühzeitige und möglichst umfassende Prozessanalyse bereits während der Auslegung des Kernpakets trägt daher entscheidend zur Fehlervermeidung bei. Hierzu werden die Möglichkeiten zur virtuellen Optimierung vorgestellt und Haupteinflussgrößen auf die Gasbildung im Kern und dadurch resultierende Risiken für Gussfehler diskutiert, Bild 4. 

Quelle: Dr. Jesper Thorborg (V) und Dr.-Ing. Sanjeev Kumar
Quelle: Dr. Jesper Thorborg (V) und Dr.-Ing. Sanjeev Kumar
Quelle: Dr. Jesper Thorborg (V) und Dr.-Ing. Sanjeev Kumar

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