An automatic CAE tool for autonomous feasibility assessment of aluminium gravity die castings : development and calibration

• Ein automatisches CAE-Werkzeug für die autonome Machbarkeitsbewertung von Aluminium-Schwerkraftkokillengussteilen : Entwicklung und Kalibrierung

Schopen, Marcus; Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor); Bähr, Rüdiger (Thesis advisor)

Aachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung 32
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Das Betriebsverhalten von Gussteilen (Festigkeit, Crash, Lebensdauer) hängt nicht nur von der Konstruktion des Teils ab, sondern auch von Fertigungseffekten wie Anschnitts- und Speisertechnik (Größe, Position), Gießlage und Prozessparametern (Füllraten, Gieß- und Formtemperaturen). Beim konventionellen, computergestützten Engineering (CAE) erstellen und bewerten die Gießereiexperten manuell die Herstellbarkeit einer aktuellen Konstruktionsvariante auf Grundlage der technischen Spezifikationen und Qualitätsanforderungen des Kunden. Folglich ist die Anzahl der Konstruktionsiterationen begrenzt. In den Entwicklungsprozessen der nächsten Generation werden vollautomatische CAE-Werkzeuge und Expertensysteme benötigt, um eine Herstellbarkeits- und Qualitätsbewertung für multidisziplinäre Designoptimierung (MDO) sowie für Konstrukteure in frühen Produktentwicklungsphasen zu ermöglichen. Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung und Kalibrierung eines solchen vollintegrierten, hocheffizienten und prädiktiven automatischen CAE-Tools, um direktionale Ergebnisse für die Anwendung auf Leichtbau-Fahrwerksteile (Kokillenguss, A356) zu liefern. Es definiert Anschnitt- und Speisertechnik sowie Prozessparameter, führt vereinfachte Gießsimulationen durch und bewertet das Gussteil quantitativ aufgrund von Kundenspezifikationen (untersuchte Metriken: vollständige Füllung, Mikrostruktur und Schrumpfungsporosität). Dieser neue Ansatz erfordert keine manuellen Eingriffe durch einen Gießereiexperten. Zusätzlich wird eine signifikante Reduktion der Rechenzeiten um 90% erreicht, indem die vollständige Füllung auf Basis einer implementierten innovativen Methode analytisch bewertet wird. Darüber hinaus wird eine systematische Kalibrierungsmethode entwickelt und angewendet, um das automatische CAE-Tool zu kalibrieren und zu validieren. Zwei Versuchsgussteile mit unterschiedlicher Komplexität werden bei verschiedenen Gieß- und Formtemperaturen gegossen: die Standard-Gießspirale und ein neu entwickeltes Demonstratorbauteil, welches verschiedene Designelemente, die für industrielle Fahrwerksteile charakteristisch sind, aufweist. Im letzten Schritt wird eine CAE-Studie zur Untersuchung der Plausibilität und Sensitivität des automatischen CAE-Tools durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das automatische CAE-Tool eine schnelle und effiziente Herstellbarkeitsbewertung bei der Entwicklung von hochwertigen Leichtbau-Gussteilen ermöglicht. Daher stellt es einen wichtigen Baustein für vollständig analysegetriebene Designoptimierungsmethoden dar, einschließlich automatischem Aufsetzen und selbstständiger Entscheidungsfindung, und liefert quantitative Ergebnisse, sofern eine spezifischen Kalibrierungs- und Validierungsdatenbank aufgebaut wird. Die Genauigkeit der Ergebnisse kann weiter verbessert werden, wenn eine physikalisch basierte, effiziente Methode für die verbleibenden Kernprobleme der Gießprozesssimulation (Gasporosität, spaltabhängige Wärmeübergangskoeffizienten) entwickelt wird.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Gießereiwesen und Gießerei-Institut [526110]