16.05.2018 | Ausgabe 05/2018

Formstoffe sicher in Form bringen – Virtuelle Optimierung entlang der Prozesskette

Kernfertigung virtuell optimieren

Durch die Fortschritte der Prozess-Simulation wird die virtuelle Optimierung heute auch in der Kernfertigung erfolgreich genutzt. Innovative Simulationsprogramme machen die qualitätsbestimmenden Einflussgrößen auf die Kernqualität bewertbar und erlauben eine detaillierte Analyse der Vorgänge beim Kernschießen und der Aushärtung. Die Möglichkeiten zur virtuellen Versuchsplanung ermöglichen die gleichzeitige und automatisierte Optimierung beider Prozessschritte. Neu entwickelte Simulationsmöglichkeiten zu einer vereinfachten Modellierung des gekoppelten Gesamtsystems Maschine – Werkzeug in Echtzeit stellen realitätsnahe Daten zur Verfügung, die sowohl in der Prozess-Simulation als auch an der realen Maschine zur Prozessteuerung genutzt werden können.

Fertigungsschwankungen vermeiden

Die Kernfertigung kämpft, wie wenige Prozesse in der Gießerei, auch heute noch mit großen Fertigungsschwankungen. Die große Anzahl von Einflussgrößen reicht von den verwendeten Rohstoffen und ihrer Verarbeitung über die eigentliche Herstellung der Kerne mit den Prozessschritten Kernschießen und Aushärtung bis zum Einsatz im Gießprozess. Durch den hohen Komplexitätsgrad entlang dieser langen Prozesskette können die Einflussgrößen und ihre Wechselwirkung auf die Kernqualität oft gar nicht oder nur als qualitative Effekte beurteilt werden.Für die Auslegung der Werkzeuge müssen aber auch variable Stellgrößen für die Betriebsbedingungen der verwendeten Anlagen berücksichtigt werden, die sowohl die Kernqualität als auch die Produktivität des Prozesses in hohem Maß bestimmen. Das Simulationsprogramm MAGMA C+M ermöglicht heute bereits in der Planungsphase die Weichenstellung für eine robuste und wirtschaftliche Kernfertigung. 

Robuster Prozess mit robusten Werkzeugen

Ein robuster Prozess, der die typischen Fertigungsschwankungen bestmöglich kompensiert, beginnt mit einer robusten Werkzeugauslegung. Für das Kernschießen und die Kernaushärtung sind die Anforderungen an die Funktionalität von Werkzeugen unterschiedlich. Hauptfokus für eine gute Kernfertigung ist heute ein optimal ausgeschossener Kern. Schießdüsen und Entlüftungen werden in den Werkzeugen so positioniert, dass die Kerne auch mit variablen Prozessgrößen gut geschossen und verdichtet werden können. Für die Kernbegasung wird häufig akzeptiert, dass besonders die Entlüftungen teilweise ungünstig liegen und Strömungsschatten lokal eine schnelle Aushärtung verhindern. Im Fall von Cold-Box führt dies dazu, dass länger als nötig begast werden muss und sich der Aminverbrauch um ein Mehrfaches über das erforderliche Maß hinaus erhöht. Bei Verwendung anorganischer Bindersysteme resultieren daraus lange Trocknungszeiten, da aufgrund ungünstiger Strömungsausrichtung bzw. unzureichender Werkzeugtemperierung der Kern nicht effektiv genug getrocknet werden kann.

Die Prozess-Simulation für die einzelnen Prozessschritte ist heute anerkannter Stand der Technik [1–2]. Neu sind in MAGMA C+M integrierte virtuelle Methoden, die relevanten Parameter automatisiert und systematisch zu variieren und damit die Auslegung bestmöglich gestalten zu können [3–4]. Durch Definitionunterschiedlicher, auch divergierender Ziele – sowohl für das Kernschießen als auch für die Kernaushärtung – können beide Prozessschritte gleichzeitig optimiert werden, Bild 1. Dafür werden im Programm Zielsetzungen für das zuverlässige Ausschießen der Kerne sowie für eine effektive Begasung festgelegt. Für eine automatisierte Optimierung entscheidet der Fachmann anschließend, welche Freiheitsgrade im Werkzeug oder in den Prozessbedingungen vom Programm systematisch variiert werden sollen. Beispiele hierfür sind die Variation der Positionen von Schieß düsen und Entlüftungen oder die Veränderung des Schieß drucks. Als messbare Qualitätskriterien werden beim Kernschießen z. B. der lokale Verdichtungsgrad an kritischen Stellen und die Identifizierung aushärtekritischer Bereiche beider Begasung festgelegt.

Bei einer automatisierten virtuellen Optimierung werden eine Vielzahl von Varianten, die sich aus den definierten Freiheitsgraden ergeben, vom Programm autonom berechnet und entsprechend der gewählten Qualitätskriterien automatisch ausgewertet. Aus der Gesamtzahl der Varianten lässt sich für die gewählten Ziele entweder das jeweilige Optimum oder der beste Kompromiss ermitteln.

Für die Umsetzung in der Praxis der Kernfertigung können auf diese Weisefrühzeitig und zuverlässig Maßnahmen zur bestmöglichen Werkzeugauslegung abgeleitet werden. Idealerweise sollte für Schießen und Aushärtung die gleiche Werkzeugkonfiguration verwendet werden können. Zusätzlich können bereits bei der Werkzeugplanung Möglichkeiten bewertet werden, um durch die Variation der Entlüftungs situation zwischen Schießen und Begasen die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Kernfertigungnachhaltig zu steigern. Dies gilt für das gezielte Öffnen oder Schließen von Entlüftungskanälen,um damit die Begasungseffektivität erheblich zu steigern. Systematisches virtuelles Optimieren unterstützt damit ein methodisches Vorgehen und fördert das Umdenken in der betrieblichen Praxis.

Dr.-Ing. Ingo Wagner (V) und Dr.-Ing. Jörg C. Sturm
Dr.-Ing. Ingo Wagner (V) und Dr.-Ing. Jörg C. Sturm

Innovative Methodik zur Maschinensteuerung in Simulation und Realität

Die Festlegung und Kontrolle geeigneter Prozessbedingungen in der Serie sind insbesondere für das Kernschießen entscheidend für eine wirtschaftliche Kernfertigung. Schwankungen, z. B. beim Sandfüllstand im Schießkopf, beim Schießdruck oder bei der Ventilsteuerung verändern die Prozessbedingungen von Zyklus zu Zyklus und sind eine Herausforderung für eine gleichmäßige Kernqualität. Dies gilt auch für den Zustand des Werkzeugsdurch Zusetzen der Schieß düsen oder Verschmutzung von Entlüftungen. Eine veränderte Entlüftung verändert auch die Massenströme von Sandmischung und Luft aus der Maschine ins Werkzeug und damit auch das Druckprofil in der Maschine.Neue Entwicklungen erlauben eine Modellierung des gekoppelten Gesamtsystems Maschine-Werkzeug einschließlichprozessbestimmender Maschinenelemente wie Druckluftbehälter, Leitungen und Ventile. Die neuen Simulationsmodelle berechnen die Stoffströme von Sand und Luft sowie deren Bilanzierung innerhalb von Millisekunden.Integriert in die Möglichkeiten zur autonomen Optimierung von MAG MAC+M können realistische Prozessbedingungen einer Maschine in Echtzeit virtuell geregelt werden.In der klassischen Prozess-Simulation werden überwiegend die Vorgänge beim Schießen im Werkzeug modelliert. Mit der schnellen Ermittlung der Massenströme für das gekoppelte Gesamtsystem können zukünftig reale Randbedingungen aus der Maschine genutzt und mit dem Fortschritt des Schießprozesses nachgeregelt werden, Bild 2.Die beschriebene Methodik kann darüberhinaus in die Steuerung der realen Maschine integriert oder mit ihr gekoppelt werden. Zwischen zwei Fertigungszyklen können die Auswirkungen veränderter Bedingungen (z. B. die Füllhöhe im Schießkopf oder der Verschmutzungsgrad des Werkzeugs) automatisch bewertet und Maschineneinstellungen wie der Schießdruck entsprechend variiert werden. Hierdurch kann der Prozess simulationsbasiert im laufenden Betrieb geregelt werden, um bestmögliche Prozessbedingungen zum Füllen des Werkzeugs zu gewährleisten.

Dr.-Ing. Ingo Wagner (V) und Dr.-Ing. Jörg C. Sturm
Dr.-Ing. Ingo Wagner (V) und Dr.-Ing. Jörg C. Sturm

Ausblick

Die beschriebene Methodik der virtuellen Prozessoptimierung bietet enorme Potenziale, die Kernfertigung nachhaltig zu verbessern. Das Verständnis und die quantitative Bewertung von Prozesseinflussgrößen auf die Kernqualität bieten die Voraussetzungen, um über transparente Prozesse die Simulation mit dem realen Prozess direkt zu koppeln.Die Korrelation von Simulationsergebnissen aus der Kernfertigung mit experimentell bestimmten Eigenschaften ist eine ideale Basis für die Simulation nachfolgender Gießprozesse. Die durchgängigevirtuelle Optimierung leistet damit einen entscheidenden Beitrag zur kostenorientierten Gussteilentwicklung und ist Teil moderner Qualitätssicherung.


Newsletter
Ja, ich möchte den Newsletter von GIESSEREI PRAXIS abonnieren