Situationsanalyse im Fokus

Im gerade abgeschlossenen Forschungsprojekt DNAguss hat ein Konsortium unter der Leitung des Fraunhofer LBF, Darmstadt, mehrere Softwaretools in eine einzige Softwarekette verknüpft, in der Gießbarkeit, Leichtbau, Betriebsfestigkeit und zerstörungsfreie Prüfbarkeit von Bauteilen optimal aufeinander abgestimmt werden.

Das Ziel des vom BMWK geförderten Projekts DNAguss ist die durchgängige numerische Auslegung von Gussbauteilen entlang der Prozesskette. Die Verknüpfung der Tools zu einer einzigen Kette ermöglicht eine verbesserte Strukturgestaltung, Gewichtsreduzierung – im Projektbeispiel um 34 % – und Senkung der Herstellungskosten bei gleichzeitiger Sicherstellung der Betriebsfestigkeit.

Einer der wichtigsten Schritte bei der Konstruktion ist die Situationsanalyse, bei der der Bauraum, die zu übertragenden Kräfte und weitere Randbedingungen definiert werden. Dies dient als Grundlage für die Erstellung des CAD-Modells mittels Topologie-Optimierung. Dadurch ist eine materialsparende und festigkeitsoptimierte Konstruktion möglich. Dabei wird die strukturmechanische Simulation in einem Finite-Element-Programm, z. B. Permas, durchgeführt und die grobe Gestalt ermittelt. Der Vorteil der Topologie-Optimierung liegt darin, dass grundlegende Anforderungen an die Gießbarkeit und Prüfbarkeit automatisch berücksichtigt werden können. Alternativ ist auch eine manuelle Konstruktion oder die Verwendung eines bereits konstruierten Bauteils möglich.

Nach Erstellung des CAD-Modells wird die Gießbarkeit des Bauteils aus dem Werkstoff EN-GJS-400-18-LT durch eine Gießprozesssimulation in Magmasoft sichergestellt. Dabei wird auch die lokale Gefüge-Zusammensetzung berechnet, die später in der Softwarekette zur Anwendung kommen kann. Anschließend erfolgt die Formoptimierung, bei der die Betriebsfestigkeit mithilfe der Software Femfat in die Formoptimierungsschleife integriert und als Werkzeug für die Lebensdauerberechnung verwendet wird. Die Lebensdauerberechnung ist entweder basierend auf einer lokalen Gefüge-Zusammensetzung oder mit globalen Kennwerten durchführbar.

Basierend auf den Ergebnissen von Magmasoft, Versuchs- und Metallographie-Daten wird über eine Korrelationsgleichung die lokale Schwingfestigkeit in Abhängigkeit von der lokalen Gefügezusammensetzung bestimmt. Diese Korrelationsgleichungen wurden im Projekt in Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer LBF und der Hochschule Ansbach ermittelt. Dies ermöglicht eine gezielte Gewichtsoptimierung bei gleichzeitiger Sicherstellung der Betriebsfestigkeit. Insbesondere bei Bauteilen mit lokal unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten ist die Verwendung einer lokalen Materialdefinition sinnvoll, da das Gefüge innerhalb des Bauteils stark variieren kann. Unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten entstehen zum Beispiel durch unterschiedliche Wanddicken. Eine geringe Wanddicke führt zu einer kurzen Abkühlzeit. Infolgedessen bildet sich ein Gefüge mit einer hohen Grafitausscheidungsdichte aus, die zu einer höheren Beanspruchbarkeit führt. Neben der Grafitausscheidungsdichte hat das Ferrit-/Perlit-Verhältnis einen Einfluss auf die Beanspruchbarkeit, die durch einen geringeren Ferritanteil ansteigt.