Werkstoff-Innovation dank Modellierung

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Übersetzen der berechneten Porositätswerte

Aluminiumdruckguss-Komponenten können nicht nur wegen einem, sondern einer Kombination verschiedener Mechanismen versagen. So mag ein dehnbarer Bruch auftreten infolge des Wachstums und der Vereinigung von Mikrohohlräumen, oder es tritt eine Abscherungsfraktur auf wegen einer Scherbandlokalisierung. Die Forscher konnten die funktionelle Beziehung zwischen Zugkurven und verschiedenen Stärken der Porosität identifizieren.

Dabei differenzierten sie zwei Stärken der Porosität, eine mit weniger als 1% und eine hohe Porosität von 1% und mehr. Mit diesem phänomenologischen Vorgehen übersetzten sie alle berechneten Porositätswerte in der Gusssimulation in Parameter für Bruchkriterien, welche sich auf die Crash-Simulation anwenden lassen. Diese Daten bildeten sie dann von den Gusssimulations-Resultaten auf die bei der Crash-Simulation verwendeten Modelle für die Crash-Simulation ab.

Trend zu stets grösserer Raffinesse

Zur Validierung ihres Modells verglichen sie die numerische Crash-Simulation mit experimentellen Resultaten dynamischer axialer Crash-Tests und Dreipunkt-Biegetests. Die numerischen Voraussagen stimmen mit aktuellen experimentellen Resultaten überein und zeigen die Effizienz des Vorgehens für die Crash-Beurteilung von Druckguss-Aluminiumkomponenten.

«Wir verfügen heute über Software für ein realistisches Modellieren komplexer und gekoppelter Phänomene», bilanziert Dr. Philippe Thévoz, technischer Direktor bei Calcom ESI, der eng mit der EPFL kooperiert. «Aber die steigende Nachfrage nach immer realistischerem Modellieren verlangt die Entwicklung stets raffinierterer physikalischer Modelle. Die akademische Forschung ist die Grundlage, um den wachsenden Anforderungen der Industrie nachzukommen.»

Hitzerissen auf der Spur

Eine Anwendung von Modelliertechniken zeigt das vom CCMX unterstützte Projekt der Defektbildung in Erstarrungsprozessen, an welchem sich unter Leitung des PSI die EPFL und die Empa beteiligen. In der Verfestigungsphase metallischer Legierungen treten Mikroporosität und Hitzerisse ? das so genannte hot tearing ? als Hauptstörenfriede auf. Ursache ist im Fall der Mikroporosität eine mangelnde Zufuhr an Flüssigkeit, welche den Schrumpfungsprozess kompensieren könnte, im Fall der Hitzerisse heissen die Gründe Schrumpfung und Deformation.

In ihren Forschungsarbeiten untersuchten die Wissenschaftler einerseits die Krümmung der in einem Netzwerk von Dendriten wachsenden Mikroporen, welche grösser sein kann als der Druckabfall durch die Erstarrungsschrumpfung. Diese Arbeiten erfolgen mit der Phasenfeldmethode, die sich besonders eignet, um Erstarrungsprozesse und andere materialwissenschaftliche Phänomene zu simulieren. Sie ist für die Industrie von Bedeutung, denn experimentelle Untersuchungen sind zeit- und kostenaufwändig. Die Resultate der Modelle wurden verglichen mit Röntgentomographie-Experimenten und dann ? nach Vereinfachung ? ins makroskopische Modell der Mikroporositätsbildung implementiert.

Anderseits entwickelten die Forscher ein granulares Vorgehen, um den Durchfluss eines Netzwerks von Körnern zu berechnen, die Lokalisierung von Einspeisung und Spannungen während der Bildung von Hitzerissen. Auch diese Resultate verglichen die Projektpartner mit makroskopischen Modellen und Experimenten. Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung neuer Mesoskalen-Modelle, welche das grundlegende Verständnis für Mikroporosität und Hitzerisse verbessern und helfen, diese Effekte zu reduzieren.

Nano-Barrieren im Kunststoff

Auf Modellierung und Computersimulation für industrielle Partner hat sich das Institut iCIMSI des SUPSI in Lugano spezialisiert. In einer Kooperation mit einem Lieferanten polymerer Rohstoffe für die Kunststoff verarbeitende Industrie ging es um PET-Flaschen. Da diese nicht gasdicht sind, diffundieren Gase und Dämpfe durch die Wände der Verpackung. Eindringender Sauerstoff kann die Eigenschaften des Produktes beeinflussen, es sogar verderben. Als Schranke gegen unerwünschte Eindringlinge beschloss die Firma, Schichtsilikate einzuschleusen, so genannte Nanoclay-Plättchen von 1 nm Dicke und bis zu 1 µm Durchmesser. Diese molekularen Strukturen ordnen sich in zweidimensionalen Schichten an. Im Polymer ? das eher eine verschlungene Struktur aufweist ? verteilt, versperren sie Gasmolekülen den Weg. Das iCIMSI-Team benutzte ein neuartiges Vorgehen, welches diverse Simulationsmethoden zu verschiedenen Zeiten und Raumskalen in einem multiscale framework verknüpft, um das Verhalten mikroskopischer Eigenschaften des Werkstoffs vorauszusagen. «Solche Techniken werden immer wichtiger für das Design neuer Verbundstoffe», so Projektleiter Andrea Danani, Professor am SUPSI. «Sie reduzieren das aufwändige Experimentieren und helfen uns zu verstehen, welche grundlegenden Aspekte die Materialeigenschaften bestimmen.»

Autor

Elsbeth Heinzelmann, Journalistin Technik und Wissenschaft

Information

www.ccmx.ch

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