Ferromatrix: Simulation unterstützt Substitution in Guss

Die Substitution einer Schweißkonstruktion in Guss ist oft eine Herausforderung. Hierbei bieten sich aber für die Gießerei auch Chancen, neue Märkte oder Produkte zu erschließen.

Die belgische Gießerei Ferromatrix gießt u.a. für den Schwesterbetrieb Van de Wiele, den Weltmarktführer auf dem Gebiet der Webmaschinen für Teppiche und Textilbezüge. Bei einer neu entwickelten Webmaschine sollten mehrere Komponenten, die beim Vorgängermodell noch aus Schweißkonstruktionen bestanden, nun kostengünstiger als Strukturbauteile aus Gusseisen produziert werden. Darunter befanden sich auch ein sechs Meter langes und circa eine Tonne schweres Gussteil genannt „Unterlineal“.

Um eine derartig lange Konstruktion als Gussteil zu fertigen, mussten insbesondere die beiden folgenden Herausforderungen gelöst werden:

Die mechanischen Eigenschaften mussten mindestens denen der Schweißkonstruktion entsprechen. Dies wurde durch eine von Ferromatrix neu entwickelte hochsiliziumhaltige, ferritische Legierung mit hoher Festigkeit und Duktilität gelöst. Zusätzlich musste die geforderte Maßhaltigkeit gewährleistet sein. Schwindungs- und Verzugsverhalten eines Gussteils werden durch die während der Erstarrung und der Abkühlung des Gussteils auftretenden Eigenspannungen beeinflusst. Gusseigenspannungen entstehen durch ungleichmäßige Abkühlung sowie durch Schwindungsbehinderungen, die durch Kerne oder Gießtechnik verursacht werden. Die Vorhersage der Maßhaltigkeit allein durch Erfahrungswissen war bei dem sehr langen Unterlineal nicht möglich.

Das 6 Meter lange Unterlineal einer Teppichwebmaschine

Die Ingenieure von Ferromatrix nutzen daher für derartige Aufgaben MAGMAstress, den MAGMASOFT®-Modul zur Berechnung von Gusseigenspannungen und Verzug. Eine erste Simulationsrechnung zeigte, dass die ursprünglich gewählte Gießtechnik einen zu starken vertikalen Verzug des Unterlineals verursachte.

Eine konstruktive Überarbeitung des Unterlineals zur Reduzierung des Verzuges war aufgrund des in der Webmaschine zur Verfügung stehenden Bauraumes nicht möglich. Die Gießereifachleute von Ferromatrix standen daher vor der Herausforderung, eine alternative Gießtechnik zu entwerfen, die zu einem geringeren Bauteilverzug führt und dabei weiterhin eine ruhige Formfüllung sowie ein porositätsfreies Gussteil ermöglicht. Dies ist ein häufig auftretender Zielkonflikt in der Gießerei: Die notwendigen Speiser verursachen naturgemäß einen großen Wärmeeintrag mit starken Temperaturgradienten, die jedoch für eine gerichtete Erstarrung notwendig sind. Eine Verzugsminimierung erfordert dagegen einen möglichst homogenen Temperaturhaushalt im Gussteil verbunden mit der Reduzierung der Temperaturgradienten, um eine gleichmäßige Abkühlung einzustellen.

Mit Hilfe der kombinierten Simulation von Formfüllung, Erstarrung und Gusseigenspannungen wurde eine Gießtechnik entwickelt, die einen Gussteilverzug innerhalb der erlaubten Toleranzen ermöglichte, ohne bei den übrigen Bauteilanforderungen Abstriche machen zu müssen.

Die gleiche Vorgehensweise wurde auch für die weiteren Gusskomponenten der neuen Webmaschine erfolgreich angewendet. Durch den Einsatz der Gießprozess-Simulation ist es Ferromatrix gelungen, für diese bislang noch nicht produzierten Strukturbauteile aus einer neuen Legierung bereits beim ersten Abguss das gewünschte positive Ergebnis zu erhalten - ohne langwierige und kostenintensive Trial-und-Error-Methoden.

Bauteilverzug des Unterlineals bei ursprünglicher Gießtechnik (oben) und Bauteilverzug nach Optimierung der Gießtechnik (unten). Das Aufwölben in z-Richtung konnte signifikant reduziert werden.

Ferromatrix NV in Kortrijk-Marke, Belgien, gehört zum Textilmaschinenhersteller Van De Wiele Group. 1936 begannen am Standort die Gießereiaktivitäten als Konzerngießerei. Im Jahre 1978 erfolgte die Ausgliederung als unabhängig operierende Kundengießerei. Mit einer Fertigungskapazität von 18.000 Tonnen pro Jahr fertigt Ferromatrix heute auf zwei automatischen Kaltharzformanlagen Gussteile aus GJS, GJV, GJL sowie SiMo und ADI. Für die Gießprozess-Simulation werden zwei 8-Kernlizenzen mit MAGMAiron und MAGMAstress eingesetzt.

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