Virtuell modelliert, Schleudergussteil optimiert

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Software «ProCAST»

ProCAST verfügt über industriell eingesetzte Solver für thermische, strömungs- und strukturmechanische Aufgabenstellungen, die im Projektrahmen für die Berücksichtigung von Zentrifugalkräften validiert bzw. entsprechend erweitert wurden.

Zum einen wurde die Performance vom Strömungssolver optimiert, um unter den gegebenen Randbedingungen komplexe turbulente Strömung in einem FEM-Modell mit mehreren Millionen Elementen verlässlich berechnen zu können (Abb.1). Zum anderen wurde der Einfluss der Richtung der Zentrifugalkraft auf die Bildung von Porosität in den thermischen Solver implementiert.

In Abbildung 2 wird anhand einer Beispielgeometrie der Einfluss der Zentrifugalkraft auf die Bildung von Porosität dargestellt. Während im oberen Teil lediglich der Schwerkrafteinfluss berücksichtigt wurde, ist im unteren Teil ersichtlich, wie die Porosität unter Berücksichtigung der Zentrifugalkraft zum Zentrum des Gussteils wandert. Eine weitere Validierung der Porositätsvorhersage ist in den folgenden Abschnitten zu finden.

Einschlüsse oder Deformationen

Durch die Füllung bedingte Defekte, wie z. B. Einschlüsse, sind oftmals in den zuletzt gefüllten Bereichen zu finden, da sie während des Füllvorgangs mit der freien Oberfläche des flüssigen Metalls transportiert werden. Im zuletzt gefüllten Bereich der würfelförmigen Struktur treffen auch Metallströme aus unterschiedlichen Richtungen zusammen, was zu einem schlecht ausgelaufenen Guss führen kann, wenn diese Temperaturen nahe am Schmelzpunkt von TiAl liegen.

In den in Abbildung 3 dargestellten Ergebnissen der Füllsimulation eines grossen kubischen Rahmenelements (Kantenlänge: 1 m) sind die zuletzt gefüllten Bereiche ersichtlich und um Röntgenbilder dieser Regionen ergänzt. Der Vergleich zeigt, dass Simulationsergebnisse gut mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmen.

Ein weiteres grosses Problem beim Feinguss grosser dünnwandiger Komponenten ist die Tendenz zu unerwünschten Deformationen, die zu einer Überschreitung der festgesetzten Toleranzen führen können. Abbildung 4 zeigt den Vergleich von simulationstechnisch (oben) und experimentell (unten) ermittelten Deformationen an dem grossen würfelförmigen Rahmen.

Der Grund für die Deformation liegt in den unterschiedlichen Wandstärken von äusserem Rahmen und den inneren Querstreben, was zu ungleichförmigen Temperaturverteilungen bei Erstarrung und Abkühlung führt. Die dünneren inneren Querstreben erstarren schneller, wodurch an den inneren Ecken des äusseren Rahmens aufgrund des induzierten Schrumpfens Zug auftritt, der wiederum zu einer elasto-plastischen Deformation in den Eckenbereichen führt. Da Erstarrung und Schwindung des äusseren Rahmens später eintreten, werden die inneren Querstreben (die durch die plastische Deformation quasi verlängert sind) bezogen auf die durch den quadratischen Rahmen gebildete Ebene um einige Millimeter nach aussen gebogen (Abb. 4, unten). Dieses Verhalten konnte in der Simulation mit hoher Übereinstimmung reproduziert werden.

Prozessentwicklung durch Modellierung

Nach der vorab beschriebenen Validierung der ProCAST-Simulationssoftware für Schleuderguss-Anwendungen wurden mit der Software anschliessend geeignete Design- und Prozessparameter für die betrachteten Gussteile ermittelt. Die Optimierung des Prozessdesigns wird dabei exemplarisch für eine der vier verfügbaren Geometrien durchgeführt, wobei es sich um eine zylindrische Strukturkomponente der ESA handelt. Zuerst werden dabei die für die Modelldefinition notwendigen Parameter beschrieben, um anschliessend die unterschiedlichen Schritte im Prozessdesign näher zu erläutern.

Prozessparameter und Setup für Simulationsmodell

Im Folgenden sind die Prozessparameter und das Setup für das Simulationsmodell der ausgewählten zylindrischen Geometrie aufgeführt:

• Temperatur: 1700 Grad Celsius

• Massenflussrate von der Pfanne: 37,5 kg/s

• Rotationsfrequenz: 200 U/min

Die elastischen Eigenschaften der keramischen Schlichten wurden wie folgt festgelegt:

• E-Modul: 20 000 MPa

• Poissonzahl: 0,3

• Wärmeausdehnungskoeffizient: 6 x 10^-6/K

Der Wärmeübergangskoeffizient für den Übergang zwischen Metallschmelze und Keramik wurde mit 400 W/(m² x K) angesetzt. Für die äusseren Randbedingungen wurden ein Emissionsgrad von 0,7 und eine Aussentemperatur von 30 Grad Celsius gewählt.

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