Aufgrund der Vielfalt von Form- und Gießverfahren, der Bandbreite an Gusswerkstoffen sowie der Fülle möglicher Gussteilkonstruktionen gibt es keine global gussgerechte Geometrie. Die Software Visiometa unterstützt Konstrukteure und Gießer, die Planung einer Gussform und die gussgerechte Gestaltung der Kundengeometrie im Besonderen individuell und schnell umzusetzen.
URS BRANDENBERGER UND RALF GERKE-CANTOW
Die schnelle Analyse der Gießbarkeit eines Bauteils anhand des Erstarrungsmoduls nach Nikolas Chvorinov (1903 – 1987) ist die Basis für die Auslegung und Gestaltung eines zielorientierten und belastbaren Gießkonzepts mit der Software Visiometa. Ein weiteres, völlig neues Kernelement des Programms ermöglicht in Diskussion mit dem Konstrukteur die Modifikation der Gussteilgeometrie durch 3-D-Sculpting-Werkzeuge und ihre Bewertung im Hinblick auf die Lenkung der Erstarrung aus der Gussteilgestalt heraus. Auch der Einfluss von kühlenden, isolierenden oder exothermen Effekten innerhalb der Form auf das Modulfeld lässt sich rechnerisch darstellen. Ein integrierter CAD-Editor erlaubt zudem die schnelle und parametrische Konstruktion eines Gießsystems. Dies ermöglicht den direkten Austausch mit dem Formen- und Werkzeugbau. Für den versierteren Nutzer besteht darüber hinaus die Möglichkeit, eigene Funktionalitäten mithilfe der Programmiersprache Python einzubauen, um z. B. eine automatisierte Aufgabenbearbeitung durchzuführen.
Die Güte eines Gussteils ist das Ergebnis eines sehr komplexen Prozesses, der hauptsächlich innerhalb der Gussform abläuft. Dabei sind vor allem folgende Ereignisse ausschlaggebend:
> Formfüllung,
> Abkühlung im flüssigen Zustand bis zur Liquidustemperatur,
> Abkühlung innerhalb des Erstarrungsintervalls,
> Abkühlung im festen Zustand innerhalb und außerhalb der Form.
Unmittelbar verbunden mit diesem „Kerngeschäft“ ist die sogenannte gussgerechte Konstruktion. Diese geht über die allgemeinen Merkmale eines Gussteils wie Formteilung, Formschräge, Bearbeitungszugabe, Schwindmaß und Kantenradius hinaus. Sie beinhaltet alle Geometrien, die innerhalb dieser Prozesskette zur Erzeugung eines rohen Gussteils beitragen.
Aufgrund der Vielfalt von Form- und Gießverfahren, der Bandbreite an Gusswerkstoffen und der Vielzahl von Gussteilkonstruktionen gibt es keine global gussgerechte Geometrie, sondern immer die individuelle Gestaltung in enger Anlehnung an das Gießverfahren, den Gusswerkstoff und die Orientierung des Gussteils innerhalb der Form. Eine belastbare Umsetzung der projektspezifischen Lösungen setzt die Anwendung technischer oder sogar physikalisch-mathematischer Standards voraus. Für die Gestaltung des Gießsystems haben sich die Gesetzmäßigkeiten der Rohrströmung bewährt. Für die Dimensionierung der Speiser und das gussgerechte Design des Teils im Hinblick auf die gelenkte Erstarrung ist der Modul seit Jahrzehnten ein anerkannter Standard.
Die Anforderungen der Konstrukteure und Designer an Produkte und deren Komplexität nehmen ständig zu. Gleichzeit erhöht der globale Wettbewerb den Druck im Hinblick auf die zeitliche Umsetzung eines Projektes und die damit erzielbaren Preise bzw. die damit verbundenen Herstellkosten. Für ein belastbares Angebot ist daher die detaillierte und schnelle (Guss-)Prozessplanung bereits innerhalb der Anfrage- / Angebotsphase Voraussetzung. Bild 1 verdeutlicht die darin entscheidenden Meilensteine Machbarkeit, Geometrie und Prozessdaten. Dabei sind nicht nur die Kundenanforderungen zu erfüllen, sondern es muss auch innerhalb eines Gussprojektes die höchstmögliche Effizienz an den Tag gelegt werden.
Das heißt, möglichst kurze Bearbeitungszeiträume, die den Herstellungsprozess mit dem geringstmöglichen Aufwand in jeder Hinsicht hervorbringen, also auch innerhalb des Planungsaufwandes. Dafür wurde die Engineering Software Visiometa entwickelt. Bild 2 vergleicht den konventionellen Planungs- und Entwicklungsaufwand mit diesem neuen Ansatz.
Einer der wichtigsten Aspekte bei der Auslegung einer Gießform ist das thermische Verhalten der gesamten Produktgeometrie, bestehend aus Bauteilgestaltung und Form, sowie die thermophysikalischen Eigenschaften des Guss- und des Formwerkstoffes. Seit den 1990er Jahren stehen hierfür Simulationsprogramme zur Verfügung; sie berechnen auf Basis einer Diskretisierung der importierten Geometrien und der numerischen Mathematik die Formfüllung, Erstarrung und Abkühlung eines Gussteils. Anhand der Ergebnisse kann sich der Nutzer ein Bild darüber machen, inwieweit gelenkte Erstarrung als Voraussetzung für ein dichtes Gussteil innerhalb des Formhohlraumes vorliegt. Der Begriff der Erstarrungslenkung ist untrennbar verbunden mit der Gussteilgeometrie und der Erstarrungsmorphologie der Legierung. Ein kontinuierlich positiver Temperaturgradient zwischen End- und Speisungszone gewährleistet eine offene Speisungsstrecke und damit ein technisch dichtes Gussgefüge (Bild 3).
Er muss bei exogen-rauwandig und -schwammartig erstarrenden Gusswerkstoffen größer gewählt werden als bei solchen, die eine exogen-glattwandige oder endogen-breiartige / -schalenbildende Erstarrungsmorphologie aufweisen (Bild 4) [1]. Der thermische Gradient kann, neben den prozessseitigen kühl und heiztechnischen Maßnahmen, insbesondere über das Gussteildesign beeinflusst werden.
Die Elemente eines Gießsystems lassen sich unterteilen in die Kategorien Formfüllsystem, Speisungssystem (Sättigung) sowie Elemente, die beides kombinieren.
Das Formfüllsystem besteht aus kanalartigen Strukturen zur Lenkung der Metallschmelze von der Übergabe an die Form bis hin zu den Schnittstellen am Gussteil selbst. Die klassische Anordnung am Beispiel einer Schwerkraftgussform besteht aus:
> Trichter, oft auch als Einguss, Bassin oder Tümpel bezeichnet,
> Einlauf, auch Einguss und Anguss genannt,
> Gießlauf, auch beschrieben als Verteilerlauf oder Bremslauf,
> Anschnitt als die Schnittstelle zum Gussteil.
Der Verlauf zwischen den Schnittstellen innerhalb eines Gießsystems orientiert sich an der Formteilung. Eine Ausnahme stellen Gießverfahren dar, die eine verlorene Form mit einem ebenso verlorenen Modell kombinieren, z. B. das Feingießen oder das Vollformverfahren.
Die Profile der Kanalquerschnitte sind zylindrisch und / oder trapezförmig. Die lokalen Flächeninhalte steuern die Formfüllzeit und die Verteilung des Volumenstroms innerhalb der Form. Für deren Berechnung sind die Bernoulli-Gleichung und das Kontinuitätsgesetz eine sehr gute Grundlage. Beide Beziehungen sind für eine belastbare Vorhersage der Formfüllzeit durch eine Abschätzung oder auch Berechnung der Strömungsverluste an die reale Strömung anzunähern.
Das Speisungssystem in einer Schwerkraftgussform besteht aus seitlich oder über dem Gussteil angebrachten zylindrischen oder trapezförmigen Elementen. Für ihre geometrische Auslegung wird in der Literatur entweder der lokale Erstarrungsmodul oder das Prinzip des theoretischen Speiservolumens herangezogen.
Die Systematik für das Niederdruck- und das Druckgießverfahren vereint Füllung und Sättigung. Die beiden Prozesse unterscheiden sich aber grundsätzlich. Ein Druckgießsystem verjüngt sich kontinuierlich zwischen der Füllkammer und der Anschnittebene, um Ablösungen der Schmelze von der Formwand zu unterdrücken. Die Anschnitte selbst sind außerdem breit und flach, was gleichbedeutend mit einem geringen Modul und damit einer kurzen Erstarrungszeit ist. Deshalb ist eine gelenkte Erstarrung in einer Druckgießform nur eingeschränkt möglich. Trotzdem ist auch für den Druckgießer die Modulbetrachtung wertvoll, denn je höher der lokale Modul, desto langsamer verläuft die Erstarrung und umso ausgeprägter ist die zu erwartende Schwindungsporosität. Das frühe Erkennen überkritischer Hotspots eröffnet somit die Option, mit dem Konstrukteur druckgussgerechte Lösungen zu finden und den zeitlichen Aufwand der Prozessentwicklung sowie Ausschuss- und/oder Nacharbeitskosten zu minimieren.
Die Auslegung eines Druckgießsystems stellt besonders hohe Ansprüche an das strömungs-mechanische Verständnis des Konstrukteurs. Auch wenn die Füllzeiten von Druckgussteilen sehr kurz sind, muss die Gestaltung der Strömungskanäle der zugrunde gelegten Füllzeit gerecht werden.
Die Entwicklung der Software Visiometa hat die schnelle und belastbare Planung einer Gießform zum Ziel. Das setzt die Visualisierung des zu erwartenden Erstarrungsverlaufs in einer möglichst kurzen Zeit voraus. Die Betrachtung der Wandstärke als Kriterium dafür wäre zu einfach, denn komplexe Gussteile sind weder Platten noch Stangen. Außerdem würden dabei Formkanteneffekte vernachlässigt (Bild 5).
Der Lösungsansatz besteht in einem Modell, das die gleiche Güte wie eine Temperaturfeldberechnung hervorbringt, aber viel schneller rechenbar ist, dem thermischen Modul. Grundsätzlich handelt es sich dabei um das Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche eines Körpers. Nikolas Chvorinov [2] publizierte bereits 1940 den Zusammenhang zwischen dem Größenkoeffizienten, so bezeichnete er diese Relation, und der Erstarrungszeit t:
V = Volumen in cm³
A = Oberfläche in cm²
n = 1,5 … 2
B = f (Gusswerkstoff, Formstoff, Überhitzung) in min/cm²
Basis der numerischen Mathematik einen diffusiven und einen thermischen Modul innerhalb des Gussteils und seiner Gießsystematik:
> Der diffusive Modul dient einer ersten, sehr schnellen Analyse der importierten Geometrie, unabhängig von den thermophysikalischen Daten der dem Projekt zu Grunde liegenden realen Stoffe. Besteht die Form aus nur einem Stoff, lässt sich damit auch die realisierte gussgerechte Gestaltung des Bauteils und seine Gießsystematik ohne Export in eine Simulationssoftware erstmals validieren.
> Erstarrt der Guss in einer Form aus mehr als einem Werkstoff, wirken sich deren unterschiedliche thermophysikalische Eigenschaften auf die lokale Erstarrungszeit und damit auf den entsprechenden thermischen Modul aus, z. B. ein Sandkern in einer Kokille oder ein Kühlkörper in einer Sandform. Die Datenbank als Bestandteil des Programms stellt dem Benutzer eine Auswahl typischer Guss- und Formwerkstoffe zur Verfügung. Das ermöglicht auch für Mehrstoff-Formkonzepte deren erste Validierung innerhalb der Software, aus der auch die Gestaltung und prozesstechnische Auslegung entsteht.
Jedes lokale Modulmaximum innerhalb des Gussteils ist ein potenzieller Speisungsbereich. Die Funktion der Hotspotanalyse stellt diese Modulplateaus zur Verfügung. Auf Basis dieser Informationen bestimmt der Benutzer den Speisungsbereich und konstruiert in kürzester Zeit den richtig dimensionierten Speiser durch die Übergabe des signifikanten Teilmoduls in den Speiser-Dialog. Daraus leitet sich ein parametrisierter Datensatz für einen Standardspeiser mit seinem Hals ab. Das variable Verhältnis von Speiserhalsbreite und -höhe sowie die freie Verteilung des Speiserhalses in beiden Formhälften, gewährleistet die bestmögliche Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Gussteilgeometrie im Bereich der Schnittstelle. Auch die Speiserhöhe ist bis zum Doppelten des Durchmessers variabel. Beide Anordnungen, die seitliche und die Toplage, sind möglich, ebenso die Anwendung von isolierenden und exothermen Speiserhilfsstoffen. Die erneute Modulanalyse gibt dem Nutzer die Gewissheit eines belastbaren Speisungssystems (Bild 6) oder offenbart ihm noch vorhandene Schwächen, sodass er sofort nachregulieren kann. Das vermeidet Versuchs- und Fehler-Schleifen innerhalb der virtuellen und realen Validierung des Projektes.
Ergibt die Modulanalyse im Bauteil lokale Plateaus, die speisungstechnisch nicht erreichbar und / oder durch Kühlungseffekte nicht ausreichend reduzierbar sind, ist davon auszugehen, dass in diesen Bereichen im realen Gussteil Lunker entstehen. Sind diese dort unzulässig oder nicht prozesssicher darstellbar, müssen sie über geometrische Änderungen mit dem Ziel der gelenkten Erstarrung verhindert werden. Für derartige Anpassungen der Bauteilgeometrie stellt Visiometa ein völlig neues Feature zur Verfügung. Das hierzu eigens entwickelte Sculpting-Toolkit wurde durch spezialisierte 3-D-Software aus der Videospiel- und Filmindustrie inspiriert. Freihändig oder unter Einsatz von Standard-Geometrien (Stencils) wie Prisma, Zylinder, Kegelstumpf, Kugel etc. kann der Nutzer ohne CAD-Kenntnisse und -Erfahrung innerhalb einer zusätzlichen Diskretisierung lokal die Teilgeometrie verstärken oder verschlanken (Bild 7).
Die daran anschließende Berechnung des diffusiven Moduls visualisiert den Einfluss der Anpassung im direkten Vergleich mit der ursprünglichen Geometrie. Die Designanpassung (der sog. Sculpt) und ihre Validierung sind schnell genug, um sie bereits im Beisein des Konstrukteurs durchzuführen, z. B. im Rahmen einer Online-Konferenz.
Der so entstandene Entwurf lässt sich als STL-Datensatz auf die Festplatte exportieren oder direkt in den Modell-Editor des Programms. Dort dient er als Vorlage für die CAD-technische Umsetzung mit der CSG-Funktionalität (Constructive Solid Geometry). Das ursprünglich importierte CAD-Modell lässt sich mithilfe von Standardkörpern (Primitives) anhand der STL-Vorlage überarbeiten und z. B. im STEP-Format exportieren. Der Konstrukteur kann dann auf dieser Basis seine nativen Daten ohne Verlust nachziehen. Bis heute führen die Beteiligten derartige Abstimmungen in der Regel „offline“ durch, u. a. in Form von digital übermittelten Änderungsanfragen. Es ist nachvollziehbar, dass diese Vorgehensweise teilweise sehr lange dauert und Informationsverluste in sich trägt. Visiometa beschleunigt diesen Prozess erheblich und vermeidet die Leckagen und Unschärfen innerhalb der Kommunikation. Der Output besteht aus einem belastbaren, gussgerechten Design. Dies zur vollsten Zufriedenheit der Anwender: „Ohne die Geschwindigkeit von Visiometa wären wir nicht in der Lage, drei neue Gussteile pro Tag mit der gleichen technischen Zuverlässigkeit in die Produktion zu bringen“, so Sascha Nehr, Geschäftsführer der Nehr + Saurer GmbH.
Für die Erstarrungslenkung aus dem Prozess heraus kann der Anwender Kühlkörper in Sandgussformen erzeugen oder isolierende und exotherme Speiserhilfsstoffe einsetzen. Die thermische Modulanalyse offenbart sofort im Anschluss die Wirksamkeit der Maßnahmen.
Die Bedeutung des Prinzips der gelenkten Erstarrung ist besonders für den Niederdruckprozess (ND) hervorzuheben. Der druckdichte Ofen ist unterhalb der Formkavität angeordnet und mit dieser durch mindestens ein Steigrohr verbunden. Sowohl die Formfüllung als auch die Speisung folgen einer Druck-Zeit-Funktion, wirksam im Ofenraum über der Schmelze. Geometrische Anpassungen der Gussteile an diesen speziellen Prozess im Hinblick auf das Prinzip der gelenkten Erstarrung sind Voraussetzung. Das Gussteil muss von oben nach unten erstarren. Entkoppeln sich isoliert erstarrende Bereiche von der Sättigung aus dem Gießofen, lässt sich das kaum durch den Einsatz von Gravitationsspeisung kompensieren. Das hängt mit der geringen Effizienz der Sättigung aus einem solchen Speiser zusammen:
> Der Temperaturgradient zwischen dem Speiser und dem Gussteil aus der Füllung heraus ist gering, weil die Schmelze auf ihrem Weg durch das Produkt Überhitzungswärme abgibt, bevor sie abgekühlt den Speiser erreicht, der die Funktion eines Überlaufes einnimmt.
> Solange der Hotspot mit dem Steigrohr strömungsmechanisch kommuniziert, kann der mit ihm verbundene Speiser nicht arbeiten und die Schmelze darin kühlt weiter ab. Handelt es sich um eine Dauerform, ist dieser Effekt besonders ausgeprägt, weil das Formoberteil in der Regel kühler ist als das Formunterteil.
Die Sculpting-Funktionalität erlaubt die schnelle und sichere Gestaltung des Gussteils für die Erstarrung von oben nach unten gegen die Schwerkraft. Das eröffnet neue Chancen innerhalb des Marktes, denn nicht jedes Design ist für den ND-Prozess aus sich heraus geeignet.
Die Nutzung des Design-Kits erlaubt ebenfalls die schnelle, flexible und detaillierte Gestaltung eines Gießsystems. Der zylindrische, rechteckige, quadratische und trapezoide Kanalquerschnitt kann beliebig innerhalb der beiden Formhälften verteilt sein (Bild 8).
Der Einbau einer filter- oder siebartigen Struktur in den Gießlauf ist möglich. Jeder Lauf ist flexibel vorbereitet für ein individuelles Anschnitt-Profil als Verbindung des Gießsystems mit dem Gussteil. Durch die Erzeugung von mehreren Konstruktionsebenen (Bild 9) entsteht ein finalnaher Entwurf des Füllsystems. Alle innerhalb von Visiometa erzeugten Komponenten lassen sich als toolfähige Daten z. B. im STEP-Format exportieren. Das spart Zeit und reduziert die Kosten der Werkzeugherstellung.
Das Bekenntnis zu einer offenen Software-Architektur spielte bei der Entwicklung von Visiometa von Anfang an eine besonders wichtige Rolle. In der Praxis bedeutet dies, dass der Nutzer die Anwendung über eine frei zugängliche Programmierschnittstelle um eigene Funktionen erweitern kann. Auf diese Weise lässt sich das Programm an die spezifischen Bedürfnisse eines jeden Kunden anpassen, z. B. ist das integrierte Python-Backend für die Automatisierung sich wiederholender Aufgaben das ideale Werkzeug. Es ist auf verschiedene Arten ansprechbar, eine davon ist der interaktive Befehlszeilen-Interpreter. Er ermöglicht es, einzelne Befehle oder sogar ganze Skripte direkt im laufenden Programm auszuführen, ohne Vorbereitungen oder Software von Drittanbietern (Bild 10).
Für große Forschungsprojekte oder Erweiterungen mit hohen Leistungsanforderungen unterstützt Visiometa das Einbinden eigener CLI-Assemblies oder nativer C/C++-Bibliotheken ohne Einschränkungen. Selbst die komplexesten Plugins, wie z. B. eigene numerische Simulationen oder iterative Optimierungsalgorithmen, können auf Basis des flexiblen Frameworks entwickelt werden.
[1] S. Engler, P. Reisner, Erstarrungsverhalten, gießereitechnologische Eigenschaften, Speisertechnik, RWTH Aachen, 1994
[2] Mont.-Ing. Nikolas Chvorinov, Pilsen: Theorie der Erstarrung von Gussstücken, Gießerei Zeitung, Jahrgang 1940, Seiten 177-186, 201-208 und 222-225.
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