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Gießprozesse - Simulation aus einem Guss

Gießprozesse - Simulation aus einem Guss

Thema des Monats - Februar 2015

Metallguss zählt zu den ältesten Fertigungsverfahren der Menschheit und wird seit gut 5000 Jahren angewendet. Gießverfahren und Gussprodukte wurden lange Zeit ausschließlich durch Experimente und Erfahrung weiter entwickelt. Durch die Modellierung von Strömung, Wärmefluss und Spannungen vermittelt die Gießprozess-Simulation heute ein tiefes Verständnis der ablaufenden Prozesse und liefert Erkenntnisse, die früher so nicht zur Verfügung standen.

Gießprozess-Simulation

Gießprozess-Simulation ist die rechnergestützte Modellierung und Analyse der Abläufe während des Gießens mithilfe einer speziellen Berechnungssoftware. Dabei wird der Prozessablauf des Gießens und Erstarrens auf Basis von physikalisch-mathematischen Modellen möglichst detailgetreu mit Randbedingungen für die Berechnung vorgegeben.

Als Ergebnis erhält man Darstellungen des Ablaufs über die Formfüllung, die Erstarrung, der Gefüge- und Eigenschaftsbildung sowie der Bildung von Eigenspannungen und Verzug der Gussteile.

 
 
© MAGMA Gießereitechnologie GmbH

In MAGMA5 simulierte Formfüllung für ein Pumpengehäuse © MAGMA Gießereitechnologie GmbH

„Aus einem Guss“ heißt für die Modellierung: die Berücksichtigung von zahlreichen, sich gegenseitig beeinflussenden technischen, physikalischen und chemischen Einflussgrößen. Eine Gießprozess-Simulation sollte während des Gussentwicklungsprozesses so früh wie möglich eingesetzt werden, um kritische Bereiche, die sich bereits aus Design und Konstruktion des Bauteils ergeben können, zu erkennen.

 
 
© MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Vorhersage von Gefügen und Eigenschaften © MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Während früher spezielle und teure Rechner für die aufwendigen Simulationen notwendig waren, sind leistungsfähige PCs heute Standard Hardware für die Gießprozess-Simulation. Immer mehr Physik wird in die Programme integriert, Modelle werden immer umfangreicher und genauer und Ergebnisse sollen immer früher zur Verfügung stehen. Rechnerleistung zählt daher immer noch.

Wenn Simulationsprogramme parallelisiert sind, kann jedoch die enorme Leistungsfähigkeit von Parallelrechnern mit Multikerntechnologie genutzt werden. Mit der geeigneten Software auf diesen Rechnern wird "Experimentieren am Bildschirm" und automatisches Optimieren zur Realität. Letztendlich benötigt der Gießer ein zuverlässiges Simulationsprogramm, das kontinuierlich getestet, geprüft und verbessert wird.

CAE (Computer-Aided Engineering) – Rechnergestützte Entwicklung

Mittlerweile ist Simulation als CAE-Methode in der Gießerei- und gussverbrauchenden Industrie allgemein akzeptiert, wobei es sich nach wie vor um einen Wachstumsmarkt handelt. „Wir beschäftigen uns intensiv mit der Frage: Wie kann ein Simulationswerkzeug in einem typischerweise mittelständischen Industrieumfeld optimal genutzt werden?“, sagt Dr.-Ing. Jörg C. Sturm, Geschäftsführer der MAGMA Gießereitechnologie GmbH in Aachen.

Außer Frage steht die Tatsache, dass sich mittels gießtechnischer Simulation signifikante Kosteneinsparungen erreichen lassen. „90 Prozent der Kunden sind Gießereibetriebe“, betont Jörg C. Sturm. „Die klassische Nutzung der Gießprozess-Simulation findet in der Arbeitsvorbereitung statt, um die gießtechnische Auslegung des künftigen Gussteils frühzeitig zu unterstützen.“

Hierzu gehören die Definition der Anschnitt- und Speisungstechnik sowie die Formauslegung. Einerseits geht es darum, mit der Software die Auslegung des Gießvorgangs prozesssicher zu machen, um damit die gewünschte Qualität sicher und zu den gewünschten Kosten fertigen zu können.

Zum anderen wird das Simulationswerkzeug genutzt, um ganz gezielt Bauteileigenschaften von Gussteilen bedarfsgerecht zu beeinflussen. Gießen hat bekanntermaßen den Vor- und Nachteil zugleich, dass vieles in einem Fertigungsschritt passiert. Dies hat zur Folge, dass die resultierenden Bauteileigenschaften sehr empfindlich vom jeweils angewendeten Prozess abhängen.

Sturm bringt das Besondere von MAGMA auf den Punkt: „Diese Eigenschaften können wir lokal vorhersagen – zum Beispiel, ob der eingesetzte Werkstoff das Potenzial hat, das Bauteil in Hinsicht auf Leichtbau zu optimieren.“ So trägt beispielsweise jedes Gussteil abkühlbedingte Spannungen in sich, die aufgrund der Herstellung entstehen. Sie müssen in den Lastfällen berücksichtigt werden.

 
 
© MAGMA Gießereitechnologie GmbH

In MAGMASOFT® simulierte Formfüllung im Kippgussverfahren (Bild mit freundlicher Genehmigung von PSA, Frankreich) und Prozessschaubild aus MAGMA5 © MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Auf die Güte der Materialmodelle angesprochen, meint Sturm: „Unser Ansatz ist stets, die Vorhersage mit der Realität zu vergleichen. Jede Weiterentwicklung bei MAGMA ist eng verknüpft mit der Validierung beim Kunden.“

Robuste Prozesse und optimierte Lösungen

Mit den neusten Entwicklungen wird der alte Traum, den Rechner direkt zur Optimierung von gießtechnischen Prozessen und der Gussteilqualität zu nutzen, heute Realität: „Virtuelles Experimentieren, also die Nutzung des Rechners, um verschiedene Einflussgrößen auf die Bauteilqualität oder Wirtschaftlichkeit ohne umfangreiche und aufwendige reale Versuche durchzuführen, wird jetzt von der Software vollständig automatisch unterstützt“, beschreibt Sturm die neue Methodik.

Dafür werden Methoden der statistischen Versuchsplanung mit der Simulation verknüpft, um so bei einer größeren Zahl variierender Gussteil- und Fertigungsparameter zielgerichtet diejenigen Einflussgrößen zu identifizieren, die einen signifikanten Einfluss auf Gussteilqualität und Wirtschaftlichkeit haben.

„Damit können jetzt die Robustheit von Prozessen und sogar eine optimierte Gießtechnik oder Fertigungsparameter bereits während der Entwicklung eines Gussteils von der Simulation automatisch ermittelt werden.“

Gerade diese Möglichkeiten zur Einstellung optimaler Prozessfenster bereits im Entwicklungsprozess führen dazu, dass sich der Anwendungsgrad und die Anwendungstiefe der Simulationsergebnisse sowohl innerhalb der Gießereien, aber auch beim Gussteilkonstrukteur und Gussteilanwender immer mehr erhöht.

 
 
© MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Virtuelles Experimentieren in MAGMA5 führt zu einer optimierten Gießtechnik und einem robusten Fertigungsfenster © MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Die MAGMAacademy

Unter dem Motto »Wissen schafft Wertschöpfung« bietet das Unternehmen außer dem Programm und den ergänzenden Dienstleistungen ein umfassendes Weiterbildungsangebot rund um die Gießprozess-Simulation an. In Schulungen, Workshops und Seminaren lernen Mitarbeiter und Verantwortliche in der MAGMAacademy, wie sie mit der Gießprozess-Simulation in ihren Unternehmen Entwicklungsprozesse optimieren, Fertigungskosten senken und die Ressourceneffizienz erhöhen.

 
 
© MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Schulungen, Workshops und Seminare werden in der MAGMAacademy zu zahlreichen gießereirelevanten Themen in Verbindung mit der Gießprozess-Simulation angeboten © MAGMA Gießereitechnologie GmbH

Diese Schulungs- und Weiterbildungsveranstaltungen der MAGMA GmbH finden im MAGMAacademy-Schulungszentrum in Aachen statt. Hier in Aachen wurde die Idee zur Entwicklung der Gießprozess-Simulation als Werkzeug zur Qualitätsverbesserung, Energie- und Kosteneinsparung „geboren“.

MAGMA ist das einzige Unternehmen, das sich weltweit ausschließlich mit der virtuellen Optimierung von Gießtechniken auseinandersetzt. Ein großer Anteil der weltweit mehr als 200 Mitarbeiter sind Metallurgen und Gießerei-Ingenieure. Mit seinen mehr als 1500 industriellen Kunden verbindet MAGMA eine feste Partnerschaft.

Sie basiert auf Zuverlässigkeit, Kompetenz und einer offenen, konstruktiven Kundenkommunikation, die mit kontinuierlichen Anwendertreffen, Seminaren und Schulungen verstärkt wird. Unternehmen und Software unterstützen die Kunden aktiv, den Herausforderungen des Marktes zu entsprechen und sichern ihnen nachhaltige Wettbewerbsvorteile.

 
 

Frank Lindner

 
 

Mehr Informationen

INFO BOX

Logo © MAGMA Gießereitechnologie GmbH



Gründung:
1988

Geschäftsführung:
Dr. Marc Schneider (Vorsitzender), Dr.-Ing. Jörg C. Sturm

Finanzen:
ca. 35 Mio. EURO Umsatz 2013/14 (konsolidiert)

ca. 35 % des Umsatzes werden jährlich in Forschung und Weiterentwicklung investiert

Sitz:
Hauptsitz der MAGMA Gießereitechnologie GmbH ist Aachen, Deutschland.

MAGMA hat Tochtergesellschaften in den USA, Singapur, Brasilien, Korea, China und Türkei und weitere Standorte bzw. Betriebsstätten in Indien, Frankreich und der Tschechischen Republik.


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MAGMASOFT® mit der aktuellen Programmversion MAGMA5 ist ein umfassendes Simulations- und Optimierungswerkzeug für die wirtschaftliche, qualitätsgerechte Fertigung von Gussteilen für alle Werkstoffe und Gießverfahren.

Es leistet nachweisbare, substanzielle Beiträge zur Kostensenkung entlang der kompletten Prozesskette eines Gussteils, also Konzeption, Bauteilauslegung, Modellauslegung, Prototypenherstellung und robuste Fertigung.

Aktuell liegt es als MAGMA5 Release 5.2 vor, die neue Version Release 5.3 befindet sich in der Einführung.