Kernsimulation - Mit Kernkompetenz in die Zukunft

Ingo Wagner und Marc Schneider, MAGMA GmbH Aachen

Sandkerne in der Gießerei

Sandkerne bilden die Hohlräume von Gussteilen ab und sind just in time in erforderlicher Qualität und kostengünstig verfügbar. Diesen Zustand wünscht sich der Gießer. Die Realität in der Gießerei sieht häufig anders aus. Die Kernherstellung birgt nach wie vor Überraschungen und kernbedingte Gussfehler sind wegen der zusätzlichen Nacharbeit ein erheblicher Kostenfaktor bei der Gussteilproduktion. Mit steigender Komplexität der Gussteile steigen auch die Anforderungen an Kerne. Neue Verbrennungsmotoren sind thermodynamisch bis zur höchsten Belastbarkeit ausgelegt und garantieren bestmögliche Leistung bei geringstem Gewicht. Filigrane Sandkerne sind erforderlich, um die Kühlkanäle sauber abbilden zu können. Es dürfen keine Rückstände oder Unebenheiten im Gussteil vorhanden sein, die den Wirkungsgrad des Kühlkreislaufs reduzieren. Die Kernfertigung wird außerdem zunehmend mit der Forderung nach ökologischerer Fertigung konfrontiert, um Arbeitsplatz- und Umweltbelastung durch schädliche Emissionen zu reduzieren.

Heute besteht bei der Konstruktion eines geometrisch komplizierten Gussteils eine erhebliche Unsicherheit, ob die notwendigen Sandkerne technisch und wirtschaftlich gefertigt werden können. Diese Unsicherheit erschwert schon in der Planungsphase die bedarfsgerechte Auslegung des Gussteils. Die Auslegung von Kernwerkzeugen erfolgt mit Erfahrungswissen und Ausprobieren, bis eine ausreichende Kernqualität produziert wird. Das Einfahren eines neuen Werkzeugs bis zur Serienreife erfordert regelmäßig mehrere zeit- und kostenintensive Optimierungszyklen, einschließlich der praktischen Erprobung unter Serienbedingungen. Jeder Erprobungsschritt führt zu mehr oder weniger aufwändigen Veränderungen am Werkzeug, ohne dass der Gießereifachmann wirklich sicher ist, ob die Maßnahmen zum gewünschten Erfolg führen. Eine wissenschaftliche Durchdringung der Vorgänge ist bisher nicht im notwendigen Umfang erfolgt. Eindeutige Ursache-Wirkungs-Prinzipien, die über das Erklären von Phänomenen hinausgehen, gibt es nicht. 

Wichtige variable Parameter beim Kernschießen sind:

  • Position, Art und Dimensionierung der Schieß- und Entlüftungsdüsen,
  • Schießdruck,
  • Sand-Binder-Gemisch (Sandart, Bindervariante und Bindergehalt).

Die Spezifikation des Gussteils z.B. für eine hohe Oberflächengüte sowie der Gießprozess bestimmen maßgeblich den zu verwendenden Kernsand, so dass Grundsand und Binder oft nicht hinsichtlich besserer Schießbarkeit variiert werden können. Position und Typ von Schieß- und Entlüftungsdüsen haben einen erheblichen Einfluss auf die Kernqualität. Nach ersten Schießversuchen mit einem neuen Werkzeug werden in der Regel die Positionen und die Anzahl der Entlüftungsdüsen variiert, um Kerne mit der geforderten Qualität herstellen zu können. Eine für das Kernschießen gute Entlüftungssituation ist oft nicht optimal für die anschließende Aushärtung. Dadurch steigen der Umfang und die Komplexität des Optimierungsprozesses. Das Einfahren des Werkzeugs bis zu einem wirklich zufriedenstellenden Zustand kann mehrere Wochen dauern. Zeit- und Kostenaufwand werden selten produktbezogen erfasst, erhöhen aber die Gemeinkosten nicht unerheblich.

Zukünftig erweitert die Simulation der Herstellung von Sandkernen die Planbarkeit der Gussfertigung um einen entscheidenden Schritt. Die technische und die wirtschaftliche Machbarkeit von Sandkernen werden berechenbar. Bereits bei der Planung eines Gussteils können die Kernfertigung und die Prozessabläufe virtuell abgebildet werden. Der gesamte Prozessablauf und die relevanten physikalischen Größen werden transparent. Dadurch wird außerdem das Verständnis der ablaufenden Vorgänge erweitert und die praktische Umsetzung qualitätsverbessernder Maßnahmen erleichtert. Auch der Modellbauer erhält einen dreidimensionalen Einblick in die Kernherstellung und kann die Konstruktion des Kernwerkzeugs effizienter auf die Anforderungen der Serienfertigung ausrichten.

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Die vollständige Veröffentlichung steht im verlinkten PDF zur Verfügung.

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