Kern- und Formherstellung Fallstudien

Dichtheitsprüfungen offenbarten gravierende, die Stabilität eines Gussteils beeinträchtigende Schwindungsdefekte in einer einzelnen Kavität der Zwölffachform. Obwohl die übrigen elf Kavitäten fehlerfreie Teile produzierten, reichte dieser Defekt aus, um den gesamten Prozess infrage zu stellen: Die Ausbringung sank damit faktisch auf elf statt zwölf einwandfreie Gussteile pro Abguss – ein inakzeptabler Zustand für ein Unternehmen, das auf eine maximale Formauslastung angewiesen ist. Eine dauerhafte Produktion mit elf Kavitäten war daher keine Option, da dies die Wirtschaftlichkeit der Fertigung fundamental untergraben hätte. Damit stand Pusan Cast Iron vor einem klassischen Dilemma: entweder eine kosten- und zeitintensive Trial-and-Error-Suche nach einer Lösung – oder ein methodischer Ansatz, der das Problem virtuell abbildet, Ursachen sichtbar macht und systematisch zur optimalen Maßnahme führt.

Statt der konventionellen Problemlösungsmethode nach dem klassischen Trial-and-Error-Prinzip entschied sich Pusan Cast Iron für einen Paradigmenwechsel: eine simulationsgestützte Optimierungsstrategie mit MAGMASOFT^®, die die gesamte Prozesskette virtuell abbildet – von der Schmelze über die Formfüllung bis hin zur Erstarrung.

Im ersten Schritt wurden die realen Defekte virtuell reproduziert. Mit Hilfe von MAGMASOFT^® konnten die Schwindungsbereiche präzise lokalisiert und die zugrunde liegenden Ursachen sichtbar gemacht werden. Die Ergebnisse 'Fraction Liquid' und 'Hot Spot FSTime' offenbarten isolierte Erstarrungsbereiche, die aufgrund unzureichender Speisung zu Schwindungsporosität führten (Bild 2). Damit stand erstmals nicht nur die Beobachtung der Defekte, sondern auch das physikalische Verständnis von deren Entstehen im Fokus – die Basis für eine nachhaltige Optimierung.

Das MAGMA PRINZIP stellt hierfür den methodischen Rahmen dar: eine strukturierte Vorgehensweise, die virtuelle Versuchsplanung mit systematischer Entscheidungslogik verknüpft. Die Methodik setzt dabei auf sechs Schritte: Zieldefinition, Freiheitsgrade spezifizieren, Qualitätskriterien definieren, Aufgabenstrukturierung, Vorgehensweise auswählen und Umsetzung. Jeder Schritt setzt unmittelbar am Problem an – und trägt iterativ und effizient zur Lösung bei.

Die Freiheitsgrade sind geeignete Prozess- oder geometrische Parameter, die während einer Versuchsplanung variiert werden sollen, um die festgelegten Ziele zu erreichen. Sie bestimmen die Anzahl der zu untersuchenden Varianten, mögliche Parameterkombinationen und daraus resultierende Designanzahl und definieren somit den Rahmen der Optimierung. In MAGMASOFT^® ermöglichen sie es, den Lösungsraum für eine virtuelle Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) exakt zu fassen und simulationsgestützt systematisch zu untersuchen. Sie bestimmen damit den Umfang der Berechnungen.

Im konkreten Anwendungsfall erwiesen sich zwei Prozessparameter als entscheidend, da sie einen maßgeblichen Einfluss sowohl auf die Speisung als auch auf das Erstarrungsverhalten ausübten:

Speiserhalsposition (Variation in 5-mm-Schritten bis 20 mm, siehe Bild 3),

Gießtemperatur (1.350 - 1.400 °C in 10 °C-Intervallen).

Die Bestimmung eines adäquaten Prozessfensters erfolgte über eine vollfaktorielle Versuchsplanung aller 30 Kombinationen von Speiserhalsposition und Gießtemperatur. Zur Auswertung der Ergebnisse wurden zwei zentrale Werkzeuge eingesetzt:

Das Parallelkoordinatendiagramm: zum Visualisieren von Abhängigkeiten zwischen Freiheitsgraden und Qualitätskriterien und Identifizieren robuster Parameterkonstellationen.

Die Haupteffektematrix: zum Quantifizieren des Einflusses einzelner Freiheitsgrade auf die Qualitätsmetriken und zum Bewerten der Sensitivitäten.

Die Auswertung der DoE lieferte eindeutige Resultate: Ein Versatz des Speiserhalses um 15 mm (Design 2) reduzierte die Schwindungsdefekte auf ein akzeptables Niveau; ein Versatz um 20 mm (Design 1) führte zwar ebenfalls zu einer sicheren Speisung, erhöhte jedoch die geometrische Komplexität der Form erheblich und ließ keine ökonomisch vertretbare Umsetzung zu. Der 10-mm-Versatz (Design 3) konnte hingegen die Speisung nicht in allen Fällen gewährleisten, weshalb diese Variante ausgeschlossen wurde.

Variationen der Gießtemperatur zeigten dagegen kaum relevante Effekte (Bild 5): Variationen zwischen 1.350 °C und 1.400 °C wiesen lediglich marginale Unterschiede auf (< 2 % Einfluss auf das Schwindungsvolumen). Damit bestätigte sich die ursprüngliche Temperatur von 1.370 °C als zielführend und prozessstabil.

Auf Basis der Ergebnisse aus der virtuellen Versuchsplanung wurde die Geometrie der Zwölffachform für den neuen Speiserhals modifiziert. Die anschließende Validierung im realen Produktionsprozess bestätigte die Prognosen eindeutig (Bild 6): Die Porosität wurde auf ein akzeptables Maß reduziert, so dass das Gießen der Zwölffachform stabil und fehlerfrei lief, die Produktivität um 9 % stieg und die Ausschussquote auf null sank.

Das Ergebnis verdeutlicht den Mehrwert eines methodischen, simulationsgestützten Vorgehens: Ein klar definiertes Problem führte durch systematische Analyse und gezielte Umsetzung zur nachhaltigen Lösung.