Besser ein früher Einblick als späte Einsicht

Custom Castings aus Winnipeg in Kanada setzte MAGMASOFT® bereits seit einem Jahr zur Verbesserung der Gussqualität und Reduzierung von Versuchsabgüssen ein. Aufgrund der durch Simulationsergebnisse unterstützten Angebote erhielt das Unternehmen den Auftrag für ein knapp 73 kg schweres Gussteil, das zuvor im Schwerkraftsandguss von einem anderen Lieferanten gefertigt worden war.

Während erster Versuchsabgüsse wurden große Porositäten festgestellt, die aufgrund der Simulationsergebnisse so nicht zu erwarten waren. Aus diesem Grund wurden sämtliche Eingaben für die Simulation nochmals geprüft und wichtige Prozessparameter in MAGMASOFT® bis an die Grenzen des Möglichen ausgereizt. Dennoch veränderte sich das Fehlerbild in der Simulation nur wenig. Dies bedeutete, dass die Gussfehler nicht allein durch speisungsbedingte Porositäten verursacht wurden. Der Fehler entstand vielmehr durch einen Vorgang, der in der Simulation nicht berücksichtigt wurde: Kerngase. Die Herausforderung an die Simulation lag darin, den Einfluss von Kerngasen mit der Simulation zu untersuchen, ohne Gasentwicklung und -transport direkt berücksichtigen zu können – auch wenn die grundlegenden Mechanismen für Kernentgasung und Gasstoß prinzipiell in MAGMASOFT® abgebildet werden.

Kerntemperatur zu Beginn der Formfüllung (links) und Kerntemperatur am Ende der Formfüllung (rechts)

Damit aus dem Kern überhaupt Gas austreten kann, muss nicht ausgehärteter Binder im Kern oder in der Form vorliegen und der Formstoff hohe Temperaturen erreichen. Der Vergleich zwischen der Temperatur des Kerns zu Beginn und am Ende der Formfüllung zeigte, dass die Kerne stark überhitzt waren. Dieser Effekt und die experimentelle Überprüfung an einem geschnittenen, nicht vollständig ausgehärteten Kern machten deutlich, dass der Kern die Voraussetzungen für einen Gasstoß erfüllte.

Als zweite Voraussetzung für die Bildung von Porositäten durch Kerngase muss die Möglichkeit bestehen, dass Kerngas ins Gussteil eindringt. Die durch die Simulation vorhersagbare Randschale im Gussteil (Feststoffanteil “Fraction Solid“) wurde als Kriterium verwendet, um die Stellen zu identifizieren, die erst sehr spät eine Randschale ausbildeten. Hierdurch wurden die kritischen Zonen für das Eindringen von Gas ins Gussteil erkannt und die Dauer für das Eindringen des Gases ermittelt. Bei der Auswertung des Erstarrungsverlaufs wurde klar, dass die kritischen Bereiche des Gussteils nach Ende der Formfüllung mehr als 140 Sekunden für die Ausbildung einer stabilen Randschale benötigen. Der Vergleich zwischen den realen Gasdefekten im Versuchsteil und in den Simulationsergebnissen zeigte eine gute Übereinstimmung.

Da nun der reale Grund für die Fehler identifiziert worden war, reduzierten die Ingenieure bei Custom Castings zunächst den Binderanteil im Sand. Dadurch verringerte sich die Ausprägung des Fehlerbildes geringfügig. Im Laufe der weiteren Untersuchungen des Kerns wurde außerdem festgestellt, dass der Kern bei der Herstellung in der Kernbüchse nicht gleichmäßig aufgeheizt wurde, woraus das Problem mit nicht voll ausgehärteten Bindern resultierte.

Das linke Bild zeigt die Randschalenbildung beim ursprünglichen Gussteil (rot gekennzeichnet sind Bereiche mit niedrigem Erstarrungsanteil). Die Bildung der Randschale beim optimierten Prozess ist in der mitte abgebildet. Das Foto zeigt den aufgeschnittenen Kern mit teilweise ausgehärtetem Binder.

Durch den Einsatz von MAGMASOFT® war Custom Castings in der Lage, ein komplexes Gießproblem in kurzer Zeit zu lösen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Kerne sich auf Temperaturen aufheizten, die ein Entgasen begünstigten. Dann konnten Bereiche im Gussteil lokalisiert werden, die am kritischsten für eine Gasaufnahme waren. Außerdem konnte die Dauer bestimmt werden, in der das Gas aufgenommen werden konnte. Nachdem Custom Castings diese wichtigen Randbedingungen für den Gussfehler mit Unterstützung von MAGMASOFT® identifiziert hatte, konnten Maßnahmen eingeleitet werden, die zu einer dauerhaften Lösung ihrer Probleme mit Porositäten durch Kerngase führten.

Fehlerbild im Gussteil durch Gasporositäten (linsk) und Vorhersage der kritischen Zonen in der Simulation (rechts)

Die Leichtmetallgießerei Custom Castings produziert Gussteile aus Aluminium- und Zinklegierungen im Schwerkraft-, Kokillen- und Kippguss. Das Unternehmen wurde 1971 gegründet und fertigt seine anspruchsvollen Gussteile heute auf einer Fläche von circa 15.240 m2. Die Gießerei investiert strategisch in begleitende Ingenieurs-Dienstleistungen und professionellen Service, um ihre Kunden durch hochwertige Qualität, Termintreue und wettbewerbsfähige Preise zufriedenzustellen.

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