Softwarekette kann Konstruktion von Gussbauteilen revolutionieren
In dem gerade abgeschlossenen Forschungsprojekt »DNAguss: durchgängige
numerische Auslegung entlang der Prozesskette von Gussbauteilen« hat ein
Konsortium unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt mehrere Softwaretools in eine
einzige Softwarekette verknüpft, in der Gießbarkeit, Leichtbau,
Betriebsfestigkeit und zerstörungsfreie Prüfbarkeit von Bauteilen optimal
aufeinander abgestimmt werden. Dies ermöglicht eine verbesserte
Strukturgestaltung, Gewichtsreduzierung – im Projektbeispiel um 34 Prozent
- und Senkung der Herstellungskosten bei gleichzeitiger Sicherstellung der
Betriebsfestigkeit.
Situationsanalyse im Fokus
Einer der wichtigsten Schritte bei der Konstruktion ist die
Situationsanalyse, bei der der Bauraum, die zu übertragenden Kräfte und
weitere Randbedingungen definiert werden. Dies dient als Grundlage für die
Erstellung des CAD-Modells mittels Topologie-optimierung. Durch die
Topologie-Optimierung kann eine materialsparende und festigkeitsoptimierte
Konstruktion erzielt werden. Dabei wird die strukturmechanische Simulation
in einem Finite-Element-Programm, z. B. Permas, durchgeführt und die grobe
Gestalt ermittelt. Der Vorteil der Topologie-Optimierung liegt darin, dass
grundlegende Anforderungen an die Gießbarkeit und Prüfbarkeit automatisch
berücksichtigt werden können. Alternativ ist auch eine manuelle
Konstruktion oder die Verwendung eines bereits konstruierten Bauteils
möglich.
Nach Erstellung des CAD-Modells wird die Gießbarkeit des Bauteils aus dem
Werkstoff EN-GJS-400-18-LT durch eine Gießprozesssimulation in Magmasoft
sichergestellt. Dabei wird auch die lokale Gefüge-Zusammensetzung
berechnet, die später in der Softwarekette zur Anwendung kommen kann.
Anschließend erfolgt die Formoptimierung, bei der die Betriebsfestigkeit
mit Hilfe von der Software FEMFAT in die Formoptimierungsschleife
integriert und als Werkzeug für die Lebensdauerberechnung verwendet wird.
Die Lebensdauerberechnung kann entweder basierend auf einer lokalen
Gefüge-Zusammensetzung oder mit globalen Kennwerten durchgeführt werden.
Gefüge-Zusammensetzung entscheidet über Lebensdauer
Basierend auf den Ergebnissen von Magmasoft, Versuchs- und Metallographie-
Daten wird über eine Korrelationsgleichung die lokale Schwingfestigkeit in
Abhängigkeit von der lokalen Gefüge-zusammensetzung bestimmt. Diese
Korrelationsgleichungen wurden im Projekt in Zusammenarbeit zwischen dem
Fraunhofer LBF und der Hochschule Ansbach ermittelt. Dies ermöglicht eine
gezielte Gewichtsoptimierung bei gleichzeitiger Sicherstellung der
Betriebsfestigkeit. Insbesondere bei Bauteilen mit lokal unterschiedlichen
Abkühlgeschwindigkeiten ist die Verwendung einer lokalen
Materialdefinition sinnvoll, da das Gefüge innerhalb des Bauteils stark
variieren kann. Unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten entstehen zum
Beispiel durch unterschiedliche Wanddicken. Eine geringe Wanddicke führt
zu einer kurzen Abkühlzeit. Infolgedessen bildet sich ein Gefüge mit einer
hohen Graphitausscheidungsdichte aus, die zu einer höheren
Beanspruchbarkeit führt. Neben der Graphitausscheidungsdichte hat das
Ferrit-/Perlit-Verhältnis einen Einfluss auf die Beanspruchbarkeit. Ein
geringer Ferritanteil führt ebenfalls zu einer höheren Beanspruchbarkeit.
Verkettung fortschrittlicher Softwaretools
»Die Projektergebnisse zeigen, dass durch die Verkettung fortschrittlicher
Softwaretools die Konstruktion von Gussbauteilen revolutioniert werden
kann«, freut sich Felix Reissner, wissenschaftlicher Mitarbeiter im
Fraunhofer LBF und Projektleiter von DNAguss. Durch die Integration aller
in der Konstruktion verwendeten Softwaretools in eine einzige
Softwarekette werden Gießbarkeit, Leichtbau, Betriebsfestigkeit und
zerstörungsfreie Prüfbarkeit von Bauteilen optimal aufeinander abgestimmt.
Dies ermöglicht eine verbesserte Strukturgestaltung, Gewichtsreduzierung
und Senkung der Herstellungskosten bei gleichzeitiger Sicherstellung der
Betriebsfestigkeit.
Am Beispielbauteil des Projektes wurden auf diese Weise 34 Prozent an
Gewicht eingespart. Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für
Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Felix-Christian Reissner, felix.christian.reissner@lbf.f
Originalpublikation:
https://www.lbf.fraunhofer.de/
konstruktion-gussbauteile.html
