Simulation von Gussfehlern

Gussfehler entstehen während des Gieß-, Erstarrungs- und Abkühlungsprozess. Sie können auch metallurgisch Bedingt oder formstoff- bzw. werkzeugbedingt sein. Da diese Fehler wie bspw. Lunker und Gasprorosität die Eigenschaften des Bauteils herabsetzen, ist man bestrebt derartige Defekte vorherzusagen bzw. die Bedingungen unter denen Gussfehler auftreten können zu analysieren und darzustellen. Ein schwerwiegender Fehler ist der Bauteilverzug in Wechselwirkung mit der enstehenden Kornstruktur während und nach der Erstarrung. Ein weiteres Beispiel ist die Entstehung von Freckles wärhend der gereichteten Erstarrung von Superlegierung.

Verzugssimulation und Minimierung

Die maßgenaue Herstellung von Gussbauteilen birgt ein hohes wirtschaftliches Potential und bildet die Grundlage für eine ressourceneffiziente Fertigung. Leider bieten die etablierten gießtechnischen Fertigungsverfahren noch nicht die Möglichkeit diesem Qualitätskriterium durch gezielte Steuermöglichkeiten gerecht zu werden. Das Ziel besteht darin, die Abhängigkeiten der Eigenschaften (Elastizitätsmodul, Gleitmodul, Permeabilität …) zu Mikrostrukturkenngrößen zu erfassen, die lokalen Werkstoffeigenschaften zu modellieren und mit der makroskopischen thermomechanischen Mehrphasensimulation direkt zu verknüpfen, so dass quantitative Verzugsvorhersagen möglich sind. Dies wird durch die Vorhersage thermodynamischer und thermomechanischer Wechselwirkungen mittels neuer mikrostrukturbasierter Kopplungsmethoden zur quantitativen Vorhersage von Gefügefehlern, Verzügen und Eigenspannungen erreicht. Mit dem so ertüchtigten thermomechanischen Mehrskalenansatz und numerischen Optimierungsverfahren wird anschließend der Verzug eines Kokillengussbauteils mit einem mehrstufigen Ansatz minimiert. Hierzu müssen ebenfalls grundlegende Methoden erarbeitet werden, um aus globalen Bewertungskriterien entsprechende lokale Anfangs-, Rand- und Ablaufbedingungen als Kompensationsmaßnahmen abzuleiten.
Mit den zu entwickelnden Modellen soll die Präzision von Gussbauteilen quantitativ vorherbestimmt werden können, was mit den heute bekannten Modellen mangels lokal berechneter und teils auch schlecht bekannter Randbedingungen und Eigenschaften nicht bzw. nur eingeschränkt möglich ist. Entsprechend können durch die kombinierte Anwendung mit zu entwickelnden Optimierungsansätzen auch Prozessrandbedungen wie oberflächennahe Kühlkanalführung und Beeinflussung von Wärmeübergängen und Formgeometrien zur präzisen Gussteilproduktion quantitativ vorherbestimmt werden.

Frecklesvorhersage

Freckles sind Gefügefehler, die insbesondere bei der gerichteten Erstarrung von Superlegierungen in Abhängigkeit der Prozessführung an der Oberfläche der Proben auftreten. In Abhängigkeit der Länge des Fest-Flüssig-Bereichs wird eine thermosolutale Strömung durch seigernde leichte Legierungselemente angeregt, die bei Überschreiten einer kritischen Rayleigh-Zahl zur Fragmentierung der Dendritenarme und damit zur Frecklesbildung führt. Charakteristisch ist ebenfalls, dass diese Freckles nur an der Schattenseite der Proben auftreten. Es wurde ein vorhandenes mehrstufiges Freckleskriterium in Bezug auf Schatteneffekte erweitert und erfolgreich getestet. In Zukunft sollen die physikalischen Effekte der thermosolutalen Konvektion, dem Ablösen der Dendritenarme und der Frecklesausbildung durch kombinierte Anwendung von Prozess-, Bauteil- und Werkstoffsimulation ergründet werden.