Einen großen Schritt weiter: Natürliche Ressourcen schonen, wirtschaftliche Chancen nutzen

Die Reise war lang; das Ziel bekannt. Von der ersten Produktidee über die produktionsreife Entwicklung bis hin zur Fertigung – bevor es überhaupt zum letzten Schritt kommen konnte, mussten die mögliche Probleme erkannt und gelöst werden. Zunächst: Das Gussteil hatte eine recht komplexe Form mit einer Mischung aus dicken Wandbereichen und einem langen dünnen Querschnitt. PLP Indonesia hatte zwei verschiedene Optionen für das Herstellungsverfahren im Visier: Kokillen oder Druckguss. Da es sich um ein neu entwickeltes Teil handelte, wurde die Nachfrage in den ersten Jahren als gering eingeschätzt. Somit sollte nur eine geringe Stückzahl in Produktion gehen, weshalb das HPDC-Verfahren als nicht geeignet angesehen wurde (in diesem Fall kostspieliger und aufwendiger). Der Entschluss stand fest, das Teil „Clamp Base“ (Bild 1) im Kokillengussverfahren mit einer vertikalen Trennlinie als Design für das Anschnittsystem herzustellen.

Bild 1: Das Bauteil „Clamp Base“ in der ursprünglichen Gießlage

Bild 1: Das Bauteil „Clamp Base“ in der ursprünglichen Gießlage

Doch schon in der Anfangsphase der Produktion wurde Schrumpfungsporosität festgestellt (Bild 2). Dieser Gussfehler führte zu einer hohen Ausschussrate. Allerdings reichte die Produktionskapazität aus, um die geringe Nachfrage zu decken.

Bild 2: Schrumpfungsporosität in der Anfangsphase der Produktion

Bild 2: Schrumpfungsporosität in der Anfangsphase der Produktion

Begehrtes Produkt

Und plötzlich ging alles ganz schnell: Die Nachfrage nach dem „Clamp Base“-Bauteil stieg erheblich. PLP Indonesia musste sofort reagieren, damit das Problem der aktuellen Ausschussrate die weitere Produktion nicht beeinträchtigte. Das ursprüngliche Design des Gussteils wurde mit MAGMASOFT® simuliert, um den auftretenden Gussfehler mit den Simulationsergebnissen zu vergleichen und die Ursache des Fehlers vollständig nachzuvollziehen. Es zeigte sich eine gute Korrelation zwischen den Simulationsergebnissen (Bild 3) und der tatsächlichen Schrumpfungsporosität (Bild 2).

Bild 3: Das ermittelte Porositätsergebnis für die originale Gießlage

Bild 3: Das ermittelte Porositätsergebnis für die originale Gießlage

Virtueller Versuchsplan (DoE)

Mit dieser guten Basis wurde in MAGMASOFT® ein virtueller Versuchsplan (DoE) aufgesetzt, um sowohl die Schwindungsporosität (‚Porosity‘) als auch das Wärmezentrum (‚Hot Spot‘) zu reduzieren. Die einzigen Parameter, die modifiziert werden konnten, waren die Speisermaße, zusätzliche Bearbeitungszugaben und die Verwendung von Kupfereinsätzen im Werkzeug zur lokalen Steuerung der Abkühlrate. Bild 4 verdeutlicht die ausgewählte Geometrie für den virtuellen Versuchsplan.

Bild 4: Verwendete Geometrie für die Optimierung. Zu sehen sind die modifizierten Speisermaße, zusätzliche Bearbeitungszugaben und Kupfereinsätze im Werkzeug.

Bild 4: Verwendete Geometrie für die Optimierung. Zu sehen sind die modifizierten Speisermaße, zusätzliche Bearbeitungszugaben und Kupfereinsätze im Werkzeug.

Die Variation der oben genannten Parameter konnte zwar zu einer geringeren Schrumpfungsporosität und weniger Wärmezentren führen, allerdings war es nicht möglich, die Porosität gänzlich zu beseitigen. Das Übersichtsergebnis zeigt tabellarisch, dass selbst das beste Design auf Rang 1 (‚Rank 1‘) noch Schrumpfungsporosität im Gussteil aufweist (Bild 5).

Bild 5: Übersicht des virtuellen Versuchsplans (DoE) – Rangliste der Designs basierend auf der Zielerreichung

Bild 5: Übersicht des virtuellen Versuchsplans (DoE) – Rangliste der Designs basierend auf der Zielerreichung

Mit Hilfe eines virtuellen Versuchsplans kann gleichzeitig die Auswirkung verschiedener ausgewählter Parameter auf das Gussteil analysiert werden, damit dieses fehlerfrei und robust produziert werden kann. Bild 6 fasst übersichtlich die Ergebnisse für dieses Beispiel in einer Korrelationsmatrix zusammen. Hilfreich für PLP Indonesia, um herauszufinden, welche Variablen einen signifikanten Einfluss auf die Qualitätskriterien hatten. Für das untersuchte Bauteil hatte die Speisergröße einen wesentlichen Einfluss auf die Verringerung der Porosität (dunkelblauer Hintergrund), wohingegen die Bearbeitungszugabe oder die Kupfereinsätze keinen signifikanten Einfluss auf die Ziele hatten (grauer Hintergrund).

Bild 6: Korrelationsmatrix der eingesetzten virtuellen DoE für das Bauteil „Clamp Base“

Bild 6: Korrelationsmatrix der eingesetzten virtuellen DoE für das Bauteil „Clamp Base“

Ziel erreicht?

Da die möglichen Parameteränderungen, insbesondere die Größe des Speisers, nicht die gewünschte Lösung eines porositätsfreien Bauteils liefern konnten, dachte sich PLP Indonesia: „einfach mal erfinderisch sein“. Eine Idee, um den Gussfehler zu beheben, war die Änderung der Formtrennlinie von der Vertikalen in die Horizontale (Bild 7).

Bild 7: Horizontales Layout

Bild 7: Horizontales Layout

Zu diesem Zeitpunkt verfügte das Unternehmen noch nicht über eine Kokillengießmaschine, die den Einsatz einer horizontalen Trennebene in der Produktion ermöglichte. Nach vielen internen Diskussionen stimmte PLP Indonesia dem Vorschlag dennoch zu, unter anderem, weil das MAGMASOFT®-Ergebnis für dieses Layout positiv ausfiel (Bild 8). Deshalb wurde für die derzeitige Kokillengießmaschine eine neue Plattform konstruiert, damit sie das horizontale Design in die Produktion übernehmen konnten.

Bild 8: Eine deutliche Verbesserung im Vergleich zum ursprünglichen Design: das Porositätsergebnis für das horizontale Layout. Mit dieser Optimierung als Grundlage konnte PLP Indonesia erfolgreich in Produktion gehen.

Bild 8: Eine deutliche Verbesserung im Vergleich zum ursprünglichen Design: das Porositätsergebnis für das horizontale Layout. Mit dieser Optimierung als Grundlage konnte PLP Indonesia erfolgreich in Produktion gehen.

PLP Indonesia traf die richtige Entscheidung: Das neue Layout wies tatsächlich eine deutliche Verbesserung im Vergleich zum ursprünglichen Design auf. Eine gute Qualität der Gussteile war das Resultat (Bild 9). Darüber hinaus wurde die Gesamtausschussrate auf unter 3 % reduziert.

Bild 9: Das Ziel ist erreicht: keine Schrumpfungsporosität in Sicht

Bild 9: Das Ziel ist erreicht: keine Schrumpfungsporosität in Sicht

Noch aufgetretene Fehler waren auf Unzulänglichkeiten im Prozess zurückzuführen. PLP Indonesia maß die Temperatur im Ofen, bevor sie mit dem Abguss begannen. Bei der neuen Anordnung gab es eine größere Distanz zwischen Ofen und Kokille, wodurch es zu einem unkontrollierten Temperaturabfall der Schmelze bis zum Abguss kam. Diese Prozessschwankungen konnten nicht nur durch den Einsatz von MAGMASOFT® analysiert, sondern auch als klare Ursache der auftretenden Gussfehler erkannt werden.

In Zukunft wird PLP Indonesia solche Prozessschwankungen frühzeitig für ihre Auslegung von neuen Gussteildesign und Giessprozesse berücksichtigten, damit kritische Prozessbedingungen identifiziert und Hauptursachen für mögliche Gussfehler ausgemacht werden können.

In der Gesamtheit, sinnvolle Erkenntnisse, die für Analysen weiterer Gussteile im Gedächtnis bleiben. Mit dem „Clamp Base“- Bauteil am Wunschziel angekommen, ist die Reise für PLP Indonesia mit MAGMASOFT® trotzdem noch lange nicht zu Ende. Das nächste Projekt steht schon in den Startlöchern.

Über Preformed Line Products (PLP Indonesia)

Preformed Line Products (PLP Indonesia) ist ein weltweiter Konstrukteur, Hersteller und Lieferant hochwertiger Kabelverankerungs- und -Steuerungshardware. Mit bahnbrechenden und innovativen Lösungen wie den COYOTE®- Glasfaserprodukten und der THERMOLIGN®-Familie von Stromübertragungsprodukten hat PLP seit 1947 immer wieder Pionierarbeit für moderne Fortschritte in Kommunikations- und Stromversorgungsnetzen geleistet.