13.06.2018 | Ausgabe 06/2018

Entwicklung von Wärmeübergangskoeffizienten

an den Schnittstellen zwischen Aluminumgussteil und Kokille unter Verwendung der inversen Optimierungsmethode

Form in Aufheiz-Aggregat mit allen befestigten Thermoelementen. Das Foto wurde nach der Versuchsdurchführung aufgenommen. / Quelle: Mauro Oliveira, Henry Renegar, Suesh Govindaswamy, Pavel Kovalenko, Miguel Sanchez-Araiza

Seit mehr als 25 Jahren werden in den Gießereien Modellerstellungswerkzeuge der Gießprozesssimulation zur Unterstützung bei Werkzeugauslegungen und bei der Entwicklung von Gießprozessen verwendet. Bei dieser Technologie werden die physikalischen Bedingungen während des Gießprozesses numerisch modelliert; hierdurch erhalten die Ingenieure Aufschlüsse über Bedingungen,durch die während der Formfüllung, de rErstarrung und der Abkühlung des Gussteiles und in den zugehörigen Anschnittund Speisersystemen Defekte entstehen können. Die Genauigkeit der Eingaben beider Gießprozesssimulation ist ein wesentlicher Bestandteil, um die Prozesse exakt zu modellieren.

Zusätzlich zu den exakten Prozessparametern und Materialeigenschaften ist es ebenfalls wichtig, geeignete Wärmeübergangskoeffizienten, oder Daten, die die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zwischen zwei in Kontakt stehenden Materialien bestimmen, zu verwenden. Es gibt zum Beispiel an der Schnittstelle zwischen dem Gussteil und der umgebenden Form eine Unstetigkeit der Temperatur, die in Zusammenhang mit dem Wärmewiderstand dieser Schnittstelle steht. Dieser Temperaturunterschied über die Schnittstelle zwischen den beiden Materialien kann durch die Definition eines Wärmeübertragungskoeffizienten mit dem Wärmefluss an dieser Stelle in Verbindung gebracht werden [1]. Zum Zeitpunkt dieser Publikation konnte der Wärmeübergangskoeffizient nicht direkt gemessen werden, da hierfür eine mikroskopische Analyse der Schnittstelle zwischen Gussteil und Form während der Erstarrung und der Abkühlung erforderlich wäre, um die elastische und die plastische Verformung an den Kontaktflächen und deren Auswirkungen auf die thermischen Bedingungen an dieser Schnittstelle zu verstehen und zu quantifizieren. Um zum Beispiel die Strahlungsmenge innerhalb der Gasblasen, die sich zwischen den beiden Materialien bilden, genau zu quantifizieren, ist es notwendig, die korrekte Geometrie der Oberflächen dieser Gasblasen während ihrer Entstehung zu kennen.

Da eine solche mikroskopische Analyse dieses Phänomens derzeit nicht möglichist, wurde in verschiedenen anderen Veröffentlichungen eine inverse Methode detailliert beschrieben; diese Methode beinhaltet das Sammeln von Abkühldaten für jedes Material mittels Thermoelementen nahe an der Oberfläche[1–4]. Diese Daten der Thermoelemente können mit simulierten Daten für den gleichen Versuchsaufbau verglichen werden. Jede Unstimmigkeit zwischen den gemessenen und den simulierten Daten kann dann durch Anpassen entweder der in der Simulation verwendeten Materialeigenschaften oder der verwendeten Wärmeübertragungskoeffizienten bearbeitet werden. Bei dieser Methode ist es erforderlich, dass in der Gießerei die Temperaturen gemessen und anschließend die Wärmeübergangskoeffizienten analysiert und berechnet werden. Dies muss für jedes verwendete Material manuelldurchgeführt werden.

Developing Heat Transfer Coefficients for Aluminum Permanent Mold Casting Interfaces with the Use of Inverse Optimization Methodology

When utilizing casting process simulation for the modeling of the permanent mold process, one variable that is often difficult to determine is appropriate heat transfer coefficients between material groups that are in contact with each other. In casting process simulation, the heat transfer coefficients between materials describe how and to what extent heat transfers across the boundaries between the two materials, for example, the casting surface that is in contact with the surface of the mold. Many variables can affect the heat transfer between two materials that are in contact. This paper details what is commonly referred to as the  ‘inverse method’ for determining appropriate heat transfer coefficients that can be used in casting process simulation. 

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