Kernkompetenz neu definiert

Kurzfassung:

Probleme in der Kernherstellung werden auch heute noch häufig durch fachliche Erfahrung und viele Versuche gelöst. In einem interaktiven Workshop der MAGMAacademy der MAGMA Foundry Technologies in Chicago und der Firma Laempe-Reich hatten die Teilnehmer die Möglichkeit, unterschiedlichste Herausforderungen des Kernmachers für die Prozessauslegung beim Schießen und Aushärten zu diskutieren. Als Freiheitsgrade wurden das Werkzeugdesign, unterschiedliche Entlüftungsvarianten, der Schießdüsenaufbau und das Layout der Kavitäten untersucht. Das inspirierende Arbeitsumfeld bot die Möglichkeit, Lösungen sowohl durch die Nutzung virtueller Werkzeuge mit MAGMA C+M (Core+Mold) als auch direkt an der Maschine zu bewerten. Damit konnten die Teilnehmer den Einfluss der wichtigsten Variablen auf die Kernherstellung in Echtzeit beurteilen.

 

Bild 1: Auswirkungen der Vergrößerung oder Verkleinerung des Schussbereichs in Richtung der Sandmischungsverdichtung am Ende des Schussvorgangs

Bild 1: Auswirkungen der Vergrößerung oder Verkleinerung des Schussbereichs in Richtung der Sandmischungsverdichtung am Ende des Schussvorgangs

Die theoretische Gesamtzahl aller möglichen Entlüftungs- und Schießdüsenkombinationen für den untersuchten Kern summierte sich auf 262.144 Designs. Die Ermittlung der optimalen Lösung aus diesem Versuchsraum allein durch Versuch und Irrtum war definitiv nicht möglich – weder mit realen Versuchen noch mit traditionellen Simulationswerkzeugen.

Mit der neuen Methodik des Autonomous Engineering in MAGMA C+M wurden daher in einem statistisch abgesicherten Versuchsplan insgesamt 160 Designs automatisch erstellt und berechnet. Diese Technologie kann die 160 verschiedenen Varianten in kürzerer Zeit berechnen, als zwei Versuche an der Maschine in Anspruch genommen hätten.

Die Darstellung der virtuellen Versuche in einem Parallelkoordinatendiagramm ermöglicht die einfache Beurteilung des Einflusses unterschiedlicher Variablen auf das festgelegte Hauptziel eines möglichst dichten Kerns (Bild 1). Jedes simulierte Design wird in dem Diagramm als Linie dargestellt, die verschiedenen Farben kennzeichnen das Qualitätsniveau. Blaue Linien führen zu schlechter oder niedriger Dichte, gelbe hingegen zu besserer Verdichtung und größerer Dichte im Kern. Eine positive Korrelation ergab sich zwischen der effektiven Gesamtfläche der Schießdüsen und der Kernqualität am Ende des Schießprozesses. In Kombination mit einer geeigneten Entlüftung erhöhte sich die Dichte im Kern mit steigender Anzahl an Schießdüsen.

Hauptfokus für die Herstellung eines fehlerfreien Kerns ist es, mit dem Schießablauf eine maximale Verdichtung sicherzustellen. Die anschließende Begasung beim Coldbox-Verfahren erfolgt überwiegend durch die Schießdüsen oder manchmal durch die oberen Entlüftungsdüsen. Typischerweise beginnt der Einrichter der Maschine mit einer bestimmten Aminmenge, die so lange erhöht wird, bis ein akzeptabler Kern entstanden ist.
Die real produzierten Kerne, deren Prozessaufbau mit der für das Schießen optimierten Lösung aus der virtuellen Versuchsplanung übereinstimmte, zeigten: Die Kernqualität verbesserte sich mit steigender Aminmenge. Die Workshop-Teams fanden allerdings heraus, dass selbst eine 63%ige Steigerung des Amingehaltes nicht zu einem Kern mit guter Qualität führen konnte (Bild 2).

 

Bild 2: Verlängerte Begasungszeiten reduzieren die nicht ausgehärteten Bereiche (links). Produktionsergebnisse für nicht ausgehärtete Bereiche im Kern (rechts)

Bild 2: Verlängerte Begasungszeiten reduzieren die nicht ausgehärteten Bereiche (links). Produktionsergebnisse für nicht ausgehärtete Bereiche im Kern (rechts)

In einer zweiten Iteration wurde die Begasungszeit verlängert. Das ist eine übliche Praxis, um Fehler beim Kernmachen zu reduzieren, obwohl es die Zykluszeit verlängert und somit zu geringerer Produktivität führt. Hier wies der Kern nach 45 Sekunden Aushärtungszeit ebenfalls noch nicht ausgehärtete Bereiche auf (Bild 2, rechts).
Um das Verständnis der Teilnehmer für die Fehlerbeseitigung ungenügend ausgehärteter Kerne zu vertiefen, wurde danach eine andere Lösung für die Entlüftung mit den ursprünglichen Prozess-
bedingungen (19cc Amin, Zykluszeit 15 Sekunden) vorgestellt. Diese Kombination wurde simuliert und ebenfalls produziert (Bild 3).

Dabei stellte sich heraus: Die modifizierte Entlüftung war der Schlüssel zum Erfolg! Alle zuvor unzureichend ausgehärteten Bereiche waren nun vollständig ausgehärtet und der Kern erfüllte alle Anforderungen für das Schießen und Begasen. MAGMA C+M hatte im frühen Stadium des Werkzeugdesigns die entscheidenden Informationen geliefert, um einen Qualitätskern kosteneffizient und robust herstellen zu können.

Bild 3: Fehlerfreier Kern in Begasungssimulation und Realität

Bild 3: Fehlerfreier Kern in Begasungssimulation und Realität

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