Jahresbericht 2019

Digitale Vernetzung für leichtbau-optimierte Gussbauteile.

Gießen, lokales Werkstoffverhalten, Werkstoffausnutzung

Im Rahmen der Lebensdauerbeurteilung von Gussbauteilen kommt es vermehrt darauf an, nicht nur die Werkstoffbeanspruchbarkeit selbst, sondern im Sinne der Vernetzung auch Informationen aus der Gießsimulation sowie der zerstörungsfreien Bauteilprüfung mit einzubeziehen. Dabei ergeben sich mehr und mehr Möglichkeiten, schon vorab die Lage möglicher Werkstoffungänzen durch die Gießsimulation abschätzen und in numerische Umgebungen überführen zu können. Hierdurch können Ungänzen gezielt vermieden, Leichtbaugeometrien erzeugt sowie die Bauteillebensdauer optimiert werden.

Die Lebensdauerbeuteilung unterschiedlichster Gussstücke trifft häufig bei der Beurteilung von Ungänzen auf Herausforderungen, wenn Kennwerte der zerstörungsfreien Bauteilprüfung vorliegen, diese jedoch nicht für die numerische Simulation als digitale Daten zur Verfügung stehen. Dabei lassen neue digitale, zerstörungsfreie Prüfmethoden, wie sie in den BMWi-Vorhaben Lunkerfest, unverDROSSen und GrenzQualifizierung ertüchtigt wurden, die Ableitung von lokalen Kennwerten sowie deren digitale Überleitung in die Beanspruchungssimulation zu, um die Ungänzen digital beurteilen zu können.

Disziplinen übergreifende Kenntnisse nutzen

Ziel der genannten Forschungsvorhaben, die durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurden, war und ist es, durch die Integration der am Bauteillebensdauerprozess beteiligten Disziplinen, wie der Betriebsfestigkeit, Konstruktion, Simulation und zerstörungsfreien Prüftechnik, (Abb. 1), ein hinsichtlich Lebensdauer und Leichtbau optimiertes Gussbauteil durch einen hohen Grad an Vernetzung zu erstellen und gleichzeitig die Wirkung lokaler Werkstoffungänzen mit einzubeziehen. Dabei zielt das Vorgehen langfristig darauf ab, bereits zu Beginn der Konstruktion möglicherweise auftretende Ungänzen durch Einbezug einer Erstarrungssimulation mit einer numerischen Beanspruchungssimulation zu beurteilen und das Design im Hinblick auf die Gießbarkeit direkt anzupassen. Können darüber hinaus lokale Werkstofffestigkeiten in Abhängigkeit der simulierten Gefügezustände mitberücksichtigt werden, ermöglicht dies die schnelle Definition von gegossenen Leichtbaukomponenten im optimalen Werkstoff.

Ausschuss verringern

Auch die Qualitätssicherung profitiert von diesem Lösungsansatz. So wird im Rahmen des Vorhabens „GrenzQualifizierung“ zusammen mit Gießereien, Betrieben und Forschungsstellen mit Kompetenzen zur zerstörenden und zerstörungsfreien Bauteilprüfung sowie zur Simulation zusätzlich ein Konzept für virtuelle Grenzmuster erarbeitet. Das Grenzmuster bildet dabei für ein Bauteil unter Zuhilfenahme von Informationen der Erstarrungs- und Beanspruchungssimulation alle denkbar auftretenden Ungänzen des Serienprozesses ab, die gerade noch für die Bauteillebensdauer unkritisch sind. Der Qualitätssicherung liegt anschließend das virtuelle Grenzmuster vor und hilft dort zügig und ohne Nachberechnungen zu entscheiden, ob ein Bauteil tatsächlich auf Grund gefundener Ungänzen Ausschuss ist oder doch verwendet werden kann, (Abb. 2). Denn das Grenzmuster beinhaltet nicht nur die lokalen Bauteileigenschaften, sondern spiegelt auch Grenzwerte kritischer Beanspruchung auf Grund festgelegter Betriebslasten in Kombination mit möglichen Ungänzen wieder.

Ein Nebeneffekt einer solchen Vernetzung ist, dass unterschiedliche, kritische Bauteilbereiche schnell und digital auf ihr Verhalten in Bezug auf unterschiedliche Last-Zeitreihen hin untersucht werden können. Ist ein abgegossenes Bauteil zwar auf Grund gefundener Ungänzen für einen Einsatzfall kritisch, kann es dennoch in Systemen mit standort- oder einsatzbedingt geringeren Belastungen eingesetzt werden. Das Bauteil wird vor dem Ausschuss bewahrt.