Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der Spannungs- und Rissbildung in Feingussformschalen während des Ausschmelzprozesses im Dampfautoklaven

Das Forschungsprojekt soll für den Feinguss ein detailliertes Verständnis des Ausschmelzvorgangs im Dampfautoklav und dessen Auswirkungen auf grünfeste Formschalensysteme liefern. Bei der Formschalenherstellung ist ein entscheidender Prozessschritt das Entfernen des Modellwerkstoffs aus der keramischen Negativform, bei dem Zugspannungen und Risse in der Keramik auftreten können, die zu einer aufwendigen Reparatur oder direkt zum Ausschuss der Formschale führen. Ein detailliertes Verständnis dieser Vorgänge ist momentan nicht vorhanden, da die Abläufe komplex sind und schwierig vermessen werden können. Auch die thermophysikalischen Daten der beteiligten Materialien sind nicht ausreichend bekannt. Daher sind zwei wesentliche Bausteine des Forschungsprojektes, eine solide Basis für alle relevanten, physikalischen Größen zu schaffen und gezielte Messungen von Temperatur und Druck während des Prozesses. Durch moderne Simulationsmethoden soll auf dieser soliden Basis ein Gesamtbild der Vorgänge und Zusammenhänge im Autoklav entstehen. Dies ist die Basis für eine Stabilisierung des Prozesses durch

- Identifizieren der wesentlichen Prozess- und Materialparameter.

- Definition eines Parameterfensters in dem der Prozess stabil läuft.

- Analyse der im Experiment aufgetretenen Fehler, um die Ursachen für diese zu Verstehen und

Abstellen zu können.

Für die beteiligten KMUs führt die Verbesserung der Prozessstabilität zu einer Verringerung des Ausschusses durch Spannungen in der Formschale. Darüber hinaus kann das Modell und die Simulation zur Optimierung des Prozesses im Hinblick auf Reduktion der Prozessdauer, Minimierung der eingesetzten Werkstoffe und Reduktion der Formschalendicke eingesetzt werden. Dies führt zu einer kostengünstigeren Produktion und reduzierten Produktionsreststoffen.

Ergebniszusammenfassung:

Das in der Industrie gängige Verfahren zum Auswachsen ist das schnelle Aufheizen der mit dem Modellwerkstoff gefüllten Formschale unter Druck in einem Dampfautoklaven. Bisher fehlt ein detailliertes Verständnis hinsichtlich der Vorgänge beim Entfernen des Modellwerkstoffs mittels heißen Dampfs, welches für die Optimierung des Prozesses und zur Festlegung eines sicheren Prozessfensters genutzt werden kann. Während in vielen Bereichen der Gießereitechnik die Simulation zur Prozessoptimierung genutzt wird, basiert der Ausschmelzprozess im Dampfautoklav auf Erfahrung und zumeist wenig systematischen betriebsinternen Untersuchungen. In diesem Beitrag wird eine erste umfassende Simulation des Auswachsprozesses im Dampfautoklav beschrieben. Durch die systematische Kombination von Materialcharakterisierung, Experiment und Simulation sollen die folgenden Erkenntnisse erarbeitet werden:

• Ein detailliertes Verständnis der Vorgänge im Autoklaven. Die gekoppelte Simulation gibt sehr detaillierte Informationen über Aufheizen, Aufschmelzen und Rissaufbau. Insbesondere der zeitliche Ablauf von Wachsausdehnen, Spannungsaufbau, Abfließen der oberen Wachsschicht und Rissbildung kann nachvollzogen werden.

• Ein Leitfaden zu den Wirkzusammenhängen der auftretenden Defekte, der es den Gießereien ermöglicht, konkrete Handlungsempfehlungen für ihre jeweilige Situation abzuleiten. Aus Simulationen mit Parametervariationen konnten wesentliche Informationen über den Einfluss der Material- und Prozessparameter und deren zeitlichem Zusammenspiel ermittelt werden. Im Leitfaden werden diese zusammengefasst und Arbeitsempfehlungen daraus abgeleitet.

• Ein allgemeingültiger Modellierungsansatz zur Simulation der Vorgänge, um die Ursachen der in der Fertigung auftretenden Probleme analysieren zu können (Basis für einen „Digitalen Zwilling“). Der Bericht zum Simulationsmodell beschreibt die gekoppelte Simulation im Detail, listet die grundlegenden Gleichungen und verwendeten Modelle.