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Gusssimulation von Strukturkomponenten aus Titanaluminid Virtuell modelliert, Schleudergussteil optimiert

| Redakteur: Luca Meister

Grosse dünnwandige Titanstrukturen: Um Formfüllung, Erstarrung, Porosität, Spannungen und Verformungen vorhersagen zu können bzw. die Giessprozessauslegung zu unterstützen, wurden virtuelle Modellierungsmethoden entwickelt. Der Beitrag zeigt die Leistungen der Giessmodellierung (Materialeigenschaften, Wärmeübergangskoeffizient, Formschmelze, Randbedingungen), wie die Simulationsergebnisse mit dem realen Guss übereinstimmen und welche Massnahmen ergriffen wurden, um die Qualität von Gussteilen zu verbessern.

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Abb. 9: Simulierte und gemessene Porositätsverteilung in der dünnwandigen Zylinderregion – zweite Modifikation des Simulationsmodells.
Abb. 9: Simulierte und gemessene Porositätsverteilung in der dünnwandigen Zylinderregion – zweite Modifikation des Simulationsmodells.
(Bild: ESI)

Die Verwendung grosser Titan-Strukturkomponenten in Flugzeugen und Raumfahrzeugen kann zu signifikanten Gewichtseinsparungen führen und sowohl den Treibstoffverbrauch als auch die Schadstoffemissionen reduzieren. Aus Kostengründen bietet es sich an, solch komplex aufgebaute Komponenten im Schleudergussverfahren herzustellen. Auch unter technischen Aspekten, um eine vollständige Füllung der Gussform zu erreichen, ist angesichts der Bauteilgrösse (1 bis 2 Meter), der dünnwandigen Geometrien (unter 5 mm) und der eingeschränkten Überhitzung (auf 40 Grad Celsius limitiert durch den Schmelzprozess) die Anwendung von Schleuderguss sinnvoll. Der Einsatz von Simulationssoftware in der frühen Entwicklungsphase des Gussprozesses unterstützt Ingenieure, potenzielle Probleme frühzeitig zu identifizieren und bessere Gussteile zu entwickeln.

TiAl-Strukturkomponenten

Die Entwicklung der Giessprozesstechnologie für sehr grosse dünnwandige Titanaluminide(TiAl)-Strukturkomponenten folgt einem generellen Trend in der Produktentwicklung. Die Produktanforderungen, in diesem Fall für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, gehen hinsichtlich Materialeigenschaften, Leichtbau und geometrischer Komplexität immer mehr an die Grenzen des technisch Machbaren. Entsprechend müssen auch die Fertigungsprozesse diesen Forderungen angepasst werden. Ermöglicht wird diese Prozessverbesserung durch die Synthese der konkreten Giessprozessentwicklung mit den gebotenen Möglichkeiten der Prozessmodellierung. Immer häufiger werden dabei für die Prozessauslegung voraussagekräftige und validierte Simulationsverfahren verlangt, welche die grundlegende Physik des Fertigungsprozesses beinhalten. Potentielle Probleme (füllungsbezogene Defekte wie Einschlüsse, unterbrochene Füllung und Lunker, Porosität, Verzug) müssen durch die Modellierung in einer Weise abgebildet werden, die auf Änderungen der physikalischen Prozessbedingungen (gesteuert z. B. durch Füllzeit und Fülltemperatur, Vorheiztemperatur der Form, Rotationsgeschwindigkeit) empfindlich reagiert und somit die virtuelle Überprüfung von Sets potentiell besserer Prozessparameter erlaubt.

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Im Folgenden wird aufgezeigt, wie im Rahmen des FP7-Projekts «COLTS» die derzeitigen Softwarefunktionalitäten so ausgeweitet wurden, dass sie den spezifischen Anforderungen an den Schleuderguss grosser TiAl-Strukturkomponenten gerecht werden. Die entsprechend modifizierte Simulationssoftware wurde in die Prozessentwicklung integriert, was anhand eines Anwendungsbeispiels gezeigt wird. Durchgeführt wurden die Arbeiten mit europäischen und chinesischen Partnern.

Validierung der erweiterten Modellierungsmöglichkeiten

Für die Implementierung der erweiterten Funktionalitäten wurden vier unterschiedliche industrielle Komponenten ausgewählt. Bei zwei Komponenten handelt es sich um typische Anwendungen aus dem Flugzeugbereich (vgl. Abb.1: Türrahmenkomponente [l.], Triebwerksgehäuse [r.]), während zwei weitere Strukturkomponenten (je eine Struktur mit würfelförmiger bzw. zylindrischer Grundform) aus dem Raumfahrtbereich stammen. Alle Komponenten weisen grosse Abmessungen (im Bereich von einem Meter) sowie geringe Wandstärken (4 bis 5 mm) auf. Die Komplexität der ausgewählten Strukturen ermöglicht eine Verifizierung der Simulationssoftware im Detail und stellt sicher, dass die erweiterten Modellierfähigkeiten die gewünschte Leistung erbringen und die Produktion solch komplexer Geometrien ermöglichen. Für diese Aufgabenstellung wurde «ProCAST» von ESI eingesetzt.

Die Schwerpunkte für den Modellierungsansatz lagen auf Strömungsaspekten (Füllsimulation), thermischen Aspekten (Erstarrung, Abkühlen des Teils in der Keramikschale), der Vorhersage von Porosität sowie Spannungen und Verformung.

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