Der perfekte Kompromiss - Virtuelle Optimierung als Schlüssel zu hoher Produktivität und reduzierten Einschlüssen

WEG, führender brasilianischer Hersteller von Elektromotoren für Industrie- und Haushaltsanwendungen, sah sich nach der mechanischen Bearbeitung eines neuen, im DISAMATIC-Verfahren hergestellten Elektromotorgehäuses aus Grauguss mit einer hohen Anzahl an Einschlüssen konfrontiert. Zur Ermittlung der Ursachen und zur Beseitigung dieser Einschlussprobleme entschied sich WEG, sowohl die 6-Sigma-Methode als auch MAGMASOFT® autonomous engineering zu nutzen.

Bild 1: Die Schmelzegeschwindigkeit im ursprünglichen Gießsystem liegt über 2 m/s

Bild 1: Die Schmelzegeschwindigkeit im ursprünglichen Gießsystem liegt über 2 m/s

Lösen von Einschlussproblemen mit Autonomous Engineering

Die ursprüngliche Gießtechnik für das 40kg schwere Elektromotorgehäuse hatte ein Gewicht von 9,6 Kilogramm und führte zu einer Füllzeit von 11,6 s. Durch iteratives experimentelles Variieren von Füllzeit, Anschnittgeschwindigkeit und Formverdichtung ergab eine erste Untersuchung in der Gießerei, dass die Geschwindigkeiten im Gießsystem wahrscheinlich den größten Einfluss auf die Fehlerhäufigkeit hatten. Für die Optimierung der Gießtechnik entschied sich WEG zum Einsatz von Autonomous Engineering in MAGMASOFT®. Ziel war es, eine Lösung zu finden, die die geforderte Gussqualität bei gleichzeitig niedrigeren Kosten und einem gleichbleibenden Produktivitätsniveau sicherstellt. Zunächst wurde MAGMASOFT® genutzt, um eine Fehleranalyse durch Reproduzieren der ursprünglichen Fertigungsbedingungen durchzuführen.

Bild 2: Einschlussprobleme vor der Optimierung (links); Ergebnis nach der Optimierung (rechts)

Bild 2: Einschlussprobleme vor der Optimierung (links); Ergebnis nach der Optimierung (rechts)

Die Simulationsergebnisse bestätigten, dass die Einschlüsse sowohl durch Reoxidation aufgrund von eingeschlossener Luft als auch durch Sanderosion bei der Formfüllung verursacht wurden. Da die Ingenieure nicht eindeutig feststellen konnten, welcher dieser Faktoren die Hauptursache des Problems war, wurden beide Ziele im Optimierungsprozess weiter untersucht. Fest stand, dass die Füllzeit maximal 12 Sekunden betragen durfte, um die geforderte Produktivität sicherzustellen.

Mit der Parametrisierung des Gießsystems in MAGMASOFT® mit insgesamt 12 geometrischen Variablen ergaben sich insgesamt 4096 theoretisch mögliche Varianten. Zur schnellen und effizienten Ermittlung der Haupteinflussgrößen wurde ein reduzierter erster Versuchsplan mit 16 unterschiedlichen Designs untersucht. Die Ingenieure hatten ein klares Ziel: eine gießtechnische Lösung zu finden, die gleichzeitig Sand- und Lufteinschlüsse reduziert.

Die Auswertung der virtuellen Versuche in MAGMASOFT® zeigte eine starke Korrelation zwischen der Gestaltung der Gießtechnik und der Bildung von Reoxidationseinschlüssen. Allerdings zeigte der erste Versuchsplan keine klare Tendenz auf, um auch das Problem der vorhandenen Sandeinschlüsse zu beseitigen. Die Gießtechnik mit dem größten Verbesserungspotenzial hatte einen gekrümmten Lauf. Diese Lösung wurde testweise für die Herstellung von 50 Gussteilen genutzt. So konnte einerseits überprüft werden, ob sich die vorhergesagte Reduzierung der Reoxidationseinschlüsse in der Realität bestätigen lässt. Gleichzeitig sollte durch die Versuche die gießtechnische Lösung in Bezug auf die Füllzeit und ggf. noch vorhandene Sandeinschlüsse bewertet werden.

Bild 3: Klassische Gießtechnik (a), optimierte Gießtechnik (b) und Modellplattenbelegung (c)

Bild 3: Klassische Gießtechnik (a), optimierte Gießtechnik (b) und Modellplattenbelegung (c)

Weniger Einschlüsse - besseres Ausbringen

Die Auswertung aller Teile zeigte, dass mit dem neuen Gießsystem 100 % der gefertigten Gussteile akzeptiert werden konnten. Davon wiesen 52 % überhaupt keine und 48 % lediglich kleine, akzeptable Einschlüsse auf. Daraus schlossen die Ingenieure, dass es sich bei dem wichtigsten Fehler tatsächlich um Reoxidationseinschlüsse gehandelt hatte.

Nachdem sie die besten Gießtechnik mit MAGMASOFT® autonomous engineering gefunden und überprüft hatten, verbesserten die WEG Ingenieure in einem weiteren virtuellen Versuchsplan erfolgreich die Fertigungsbedingungen in Bezug auf ihre Robustheit. Dieser Schritt trug entscheidend dazu bei, die Gesamtanzahl der Einschlüsse weiter signifikant zu senken und das Problem damit zu lösen. Als Zusatzgewinn war das neue Gießsystem auch 1 Kilogramm leichter. Dadurch erhöhte sich das Ausbringen gegenüber der ursprünglichen Version von 80,8 % auf 82,4 %.

Bild 4: Darstellung der Ergebnisse von zwei virtuellen Versuchsplänen in einem Streudiagramm: Die optimale Lösung 15 ist der beste Kompromiss zwischen Füllzeit (x-Achse), Reoxidationseinschlüssen (y-Achse) und Sandeinschlüssen (Größe der Punkte)

Bild 4: Darstellung der Ergebnisse von zwei virtuellen Versuchsplänen in einem Streudiagramm: Die optimale Lösung 15 ist der beste Kompromiss zwischen Füllzeit (x-Achse), Reoxidationseinschlüssen (y-Achse) und Sandeinschlüssen (Größe der Punkte)

Bild 5: Optimierte Modellplatte (links) und Formhällfte (rechts)

Bild 5: Optimierte Modellplatte (links) und Formhällfte (rechts)

WEG, Brasilien, ist führender Anbieter von Motoren, elektrischen Maschinen und Automatisierungslösungen für weltweite Industriezweige und Energieanlagen. Das Unternehmen verfügt über vier jeweils auf bestimmte Formverfahren spezialisierte Gießereien für die Herstellung von Elektromotoren aus Grauguss.

Mit freundlicher Genehmigung der WEG Equipamentos Elétricos, Brasilien

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