Simulation der Kernherstellung mit MAGMA C+M

Mit der Einführung des Simulationsprogramms für die Kernfertigung MAGMA C+M (Core+Mold) können jetzt wesentliche Schritte des Herstellungsprozesses von Kernen virtuell abgebildet und vorhergesagt werden. Kernschießen, Begasen und Aushärten von organischen und anorganischen Kernen lassen sich realitätsnah und erstmals in einem vollständig integrierten Ablauf simulieren. Dabei werden sowohl kaltaushärtende Verfahren als auch die Kernherstellung in heißen Kernwerkzeugen unterstützt.

Praxisnahe Prozessdefinition

Die Beschreibung des jeweiligen Kernherstellungsprozesses erfolgt in MAGMA C+M aus dem Blick des Praktikers und bildet den Prozessablauf ab. Kernbüchsengeometrien sowie Informationen über die Kernschießmaschine und die Entlüftungssituation können wie in MAGMA5 einfach über Schnittstellen eingelesen und modifiziert werden. Die integrierte Datenbank enthält zahlreiche Datensätze und bietet die Möglichkeit, die Konditionen des Sandes, des Bindersystems, wie auch von Schieß- und Entlüftungsdüsen individuell zu ermitteln und zu nutzen.

Vollständige Abbildung der Prozesskette mit Kernschießen (grün), Kernaushärtung (blau) und Werkzeugtemperierung (rot)

Modellierung des Kernschießens

Die Modellierung des Kernschießens ist wegen der unterschiedlichen Strömung von Luft und Sand ein extrem anspruchsvoller Vorgang. Die Wechselwirkungen zwischen Luft und Sand untereinander und mit ihrer Umgebung (Schießzylinder, Düsen, Werkzeug) sind daher in MAGMA C+M mit einem 2-Phasen-Simulationsprogramm realisiert worden. MAGMA C+M berücksichtigt Maschinenparameter wie den Druckaufbau im Schießzylinder und den Einfluss der Schießdüsengeometrien. Zur Entlüftung von Kernbüchsen werden Düsen verschiedener Bauarten und Größen berücksichtigt, deren Druckabfall durch experimentell kalibrierte Strömungsgesetze realistisch modelliert wird. Düsen können im Programm virtuell einfach geöffnet und geschlossen werden.

Die Ergebnisauswertung des Füllvorgangs ermöglicht eine effiziente Bewertung verschiedener Versionen. Neben der Beschreibung des Schießvorganges durch die Vorhersage der lokalen Sanddichte lässt sich in MAGMA C+M aufzeigen, welche Düse welches Volumen des Kerns füllt. Wenn an diesen Stellen nicht richtig entlüftet wird, kann das Zusammenfließen von Sandfronten oft eine Ursache von Kernfehlern sein. Außerdem stehen weitere Ergebnisse wie lokale Geschwindigkeiten von Luft und Sand zur Verfügung.

Füllsequenz eines Kerns für unterschiedliche Schießdüsenpositionen. Während die Kernbüchse (links) gleichmäßig gefüllt wird, sind rechts Problemzonen (siehe rote Markierung) zu erwarten. Durch virtuellen Einsatz farbiger Sande (unten) wird die Effizienz einzelner Düsen bewertbar.

Modellierung der Kernaushärtung

MAGMA C+M berücksichtigt für die Vorhersage der Kernaushärtung den Transport von Gas durch den offenen Porenraum des Sandkerns. Simuliert werden dabei die gängigen Härtungsmechanismen wie Gashärtung (PUR-Cold-Box) oder Trocknungshärtung (anorganische Binder). Das Programm liefert auch Erkenntnisse, wo sich Amin zunächst lokal anlagert und nach zeitlicher Verzögerung zumindest teilweise wieder verdampft.

Typischerweise hat am Ende der aktiven Aminzufuhr das Amin noch nicht alle Bereiche des Kerns erreicht. Diese Bereiche härten dennoch aus, wenn die Spülluft im weiteren Verlauf noch aminhaltige Luft in diese Bereiche treibt. MAGMA C+M erlaubt die Optimierung sowohl der Gasaushärtung als auch des Spülprozesses. Die Auslegung der Temperierung für thermisch aushärtende Bindersysteme (Hotbox, Croning, anorganische Kerne) wird in MAGMA C+M durch geregelte elektrische Heizelemente oder Ölkanaltemperierung unterstützt. Für anorganisch gebundene Kerne rechnet das Programm die Trocknungshärtung in der heißen Büchse einschließlich des Wasserdampftransports durch erhitzte Luft.

Anorganische Binder finden zunehmend Interesse in der Industrie und werden zukünftig einen erheblich gestiegenen Anwendungsgrad erreichen. Die Kernfestigkeit entsteht über eine überwiegend reversible Trocknungshärtung in beheizten Kernbüchsen. Dabei ist bestmögliche Temperierung der Werkzeuge in hohem Maße mitentscheidend für die erfolgreiche Kernproduktion mit wirtschaftlich vertretbaren Zykluszeiten. Eine gleichmäßige Temperierung fördert auch eine gleichmäßige Randschalenbildung. Diese ist erforderlich, um den Kern aus dem Werkzeug sicher entnehmen zu können. Mit MAGMA C+M wird der Wärmefluss im Kernsand und die damit verbundene Verdunstung von Binderwasser vorhergesagt. Der entstehende Wasserdampf wird von der strömenden Heißluft aufgenommen und aus dem Porenraum transportiert. Berücksichtigt wird dabei ebenfalls die Kondensation von verdampftem Binderwasser in kälteren Regionen des Kerns.

Mit der Berechnung der Temperierung für das Aufheizen des Werkzeugs aus dem kalten Zustand und die thermische Situation im zyklischen Betrieb können bereits vor der Konstruktion der Werkzeuge die Positionen und die Leistungen z. B. von elektrischen Heizpatronen oder Öltemperierungen erprobt werden. Ebenso kann die Steuerung der Heizer differenziert und effizient analysiert werden.

Wasserdampf wird durch heiße Luft aus dem Porenraum getrieben (a). In kälteren Bereichen im Kerninneren kann Wasserdampf wieder kondensieren und lokal den Wassergehalt drastisch erhöhen (b). Das Foto (c) zeigt die ausgehärtete Randschale des realen Kerns.

Umfassende Kernsimulation

In der betrieblichen Praxis ist die Kernherstellung heute überwiegend noch ein durch Erfahrung sowie Ausprobieren geprägter Prozess, der sich häufig zeit- und kostenintensiv gestaltet. Mit MAGMA C+M steht jetzt erstmals ein umfassendes virtuelles Werkzeug zur Simulation der Kernherstellung zur Verfügung, welches auf die Bedürfnisse der betrieblichen Praxis ausgerichtet ist. Der Prozessablauf wird planbar und die technische sowie die wirtschaftliche Machbarkeit werden berechenbar. Werkzeugbauer oder Kernhersteller werden in allen relevanten Prozessschritten der Serienfertigung effizient unterstützt.

Elektrisch beheiztes Werkzeug im Querschnitt (a) und geöffnetes Werkzeug (b) mit ungleichmäßigem Temperaturfeld. Im stationären Betrieb ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung erwünscht. Simulation ermöglicht eine Optimierung, bevor das Werkzeug gebaut wird. Bilder Daimler, Deutschland.

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