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Firmen Nachrichten Topic Simulation

Kernschießsimulation – Zum ökonomischen und ökologischen Vorteil der Gießerei

Autor: Christof Nowaczyk, Produkt Manager Design Service Europa & Asien, ASK Chemicals, Hilden

Im Rahmen des von der ASK Chemicals seit Jahren erfolgreich im internationalen Markt etablierten Design Service, beschäftigt sich die ASK Chemicals u.a. intensiv mit dem Thema Simulation von Gießereiprozessen. Hierzu kommen nahezu alle namhaften Softwarelösungen zum Einsatz wie Magma, Flow3D, ArenaFlow® oder Novacast. So hat sich seit etlichen Jahren ein großer Erfahrungsschatz aufgebaut, sowohl im Bereich Simulation des Gießens & Erstarren, als auch im Bereich Kernschießsimulation. Der nachfolgende Artikel gibt einen Überblick über die Potentiale, die durch die Kernschießsimulation gegeben sind.

Der globale Wettbewerb verlangt von den Unternehmen nicht nur stetig verbesserte Qualität bei kürzeren Entwicklungs- und Produktionszeiten zu geringeren Kosten – heutzutage ist die permanente Erneuerung eines immer vielfältigeren Produktsortiments eher die Regel, und mindestens eine genau so große Herausforderung für den Gießer. In dieser Situation helfen u.a. Computerprogramme, wie z.B. eine Simulations-Software, Kosten zu senken, Entwicklungszeiten zu verkürzen und optimierte stabile Prozesse zu designen. Dies ist keine neue Erkenntnis, da sie dem Gießer im Bereich Gießen und Erstarren schon seit Jahren eine beherrschte Praxis ist.

Hat in früheren Tagen von der Idee zur Produktion noch der Entwicklungskreis vom Reisbrett über Modellbau, Gießversuch und mannigfaltigen Anpassungen geführt, so kommen hier heute Computer Aided Design (CAD), Simulation, Computer Aided Machining (CAM) und Prototyping zum Einsatz. Kurz gesagt, heute reden wir vom Computer Aided Engineering (CAE). Nun auch das ist jetzt schon sicher einige Jahre so der Fall, wenn wir von Modellbau und auch speziell von der Entwicklung und Auslegung von Eingußsystemen reden. Hier sind uns allen die Vorteile und Möglichkeiten, die in diesem Zusammenhang die Simulationstechniken bieten, bekannt.

Als immerhin recht neu muss aber nach wie vor die Simulation der Kernherstellung betrachtet werden. Aber brauchen wir eine solche Simulation? Sicher weiß keiner mehr über sein Kerngeschäft, also das Herstellen von Kernen, als der erfahrene Gießer selbst. Dennoch muss man sich fragen – stimmt das? Wissen wir wirklich was passiert und ob wir das optimalste Setup designed haben? Man könnte fast sagen, dass hierdurch in eine der letzten „Blackboxes“ in unseren Gießereiprozessen Licht gebracht wird, und dies hilft unser „Kerngeschäft“ besser zu beherrschen.

Bei der Kernschießsimulation unterscheidet man in zwei wesentliche Simulations-Schritte. Zum einen das Simulieren des Füllvorgangs des Kernkastens, das eigentliche Schießen des Kerns, und zum anderen in den Schritt einer möglichen oder notwendigen Begasung, also das Durchströmen einer wie auch immer gefüllten Kavität eines Kernkastens.

So ergibt sich z.B. aus der Visualisierung der Fülldynamik (Bild 1) die Möglichkeit, genaue Vorhersagen über Bereiche mit unterschiedlichsten Verdichtungsgraden zu treffen (Bild 2). Ebenso können Rückschlüsse auf Bereiche mit erhöhtem Werkzeugverschleiß gezogen werden oder Vorhersagen über Bereiche gemacht werden, in denen vermehrter Binder-Auftrag zu erwarten ist. (Bild 3)

Unter Verwendung der Simulations-Software ArenaFlow®, welche als einzige Software auf dem Markt die tatsächliche Interaktion zwischen Partikeln – Sand sind Partikel – und dem Fördermedium Luft realitätsnah darstellen kann, sind Problembereiche mit unzureichender Verdichtung sehr anschaulich darstellbar (Bild 4). Ursache des hier vorliegenden Verdichtungsproblems ist eine nicht optimale Entlüftungssituation.

Aus dem Beispiel wird zudem deutlich das die Fülldynamik oder das Füllverhalten in erster Linie von den Strömungsverhältnissen der der Luft in einem Kernkasten abhängig ist. Dieses Strömungsverhalten kann auch sehr deutlich durch Strömungsvektoren verdeutlicht werden und zeigt hier schon sehr genau, wo mit unzureichender Verdichtung oder bei einer Begasung mit Problemen zu rechnen ist.

In Bild 5 sind Bereiche mit unzureichender Luftströmung in dunkel blau dargestellt.

Für die Begasung eines Kerns gibt diese Art der Simulations-Auswertung erste Hinweise darauf, ob ein homogener Prozess vorliegt. Zeigen sich hier im Bereich des Unterkastens schon schlechte Strömungsverhältnisse, so ist sicher vom Auftreten etwaiger Begasungsprobleme auszugehen. Das bedeutet in dem Fall für die Praxis, dass deutlich längere Begasungszeiten und auch unnötig hohe Aminverbräuche als „Serienstand“ in einer Fertigung akzeptiert werden. Hier muss also von einem nicht effizienten Einsatz des Amins gesprochen werden.

Nachstehendes Beispiel (Bild 6) zeigt, wie durch konsequente Nutzung und entsprechender Optimierung des Setups eine deutliche Verbesserung des Kerns in seiner Qualität, als auch gleichzeitig eine Reduzierung der Taktzeit – ca. 28% - erzielt werden kann. In diesem Fall wurde nur das Setup der Entlüftung optimiert.

Sehr häufig kommt es vor, dass zu bestehenden Kernschießmaschinen sogenannte FamilienKernkästen konzipiert werden. Nicht selten sieht sich die Fertigung dann dem Problem ausgesetzt, dass bestimmte Kerne oder Bereiche von Kernen nur unzureichend verdichtet sind und so bei den Gussteilen oft zu erhöhtem Putzaufwand oder gar zu erheblicher Nacharbeit führen. In den meisten Fällen liegt hier die Ursache im Zusammenspiel zwischen der installierten, als gegeben angenommenen und nicht weiter betrachteten Schiesskopfgeometrie und dem tatsächlichen Setup des Kernkastens und der Anordnung der Schießdüsen.

Nachfolgende Bilder zeigen deutlich, dass bei der bestehenden Geometrie der Kern im links hinteren Bereich nicht vollständig gefüllt werden kann, da nicht ausreichend Formstoff in der gegebenen Zeit durch das Sandmagazin nachfließen kann.

Eine solche Situation führt zwangsläufig zu erheblichen Mehrkosten, die durch eine entsprechende Simulation im Vorfeld vermeidbar wären. Eine angepasste Konstruktion des Schiesskopfes wird sicher die billigere Abstellmaßnahme sein, aber schlimmstenfalls existierende Terminschienen und mögliche Einhaltung von projektbestimmenden Meilensteinen gefährden.

Ein weiteres Praxisbeispiel anhand eines Ölkanal-Kerns in einer Konstruktion der AUDI AG, zeigt welches Potential zu Kosten- und Ressourcen – Einsparung die Kernschießsimulation bietet. Im Rahmen eines Kundenprojekts bestand die Aufgabe, vor Neubau von Kernkästen ein bestehendes Setup zu überprüfen und ggf. zu optimieren.

Unterstützt und getrieben wurde das nicht nur durch die Gießerei selber, sondern auch durch den Kunden, die AUDI AG, welche als OEM, der selber keine Gießerei betreibt, in der Kerne verwendet werden, konsequent auf Simulation als Mittel zum Erzielen stabiler Prozesse sowohl in der Gießerei, als in späteren Abnehmerbetrieben, setzen.

Zusammenfassung
Die Simulation der Kernherstellung, genannt – Kernschießsimulation – bietet wie jede andere Form der Simulation enormes Potential für die Entwicklung wie für die Fertigung. Sei es im Rahmen der Entwicklung von Werkzeugen schon vor Start einer teuren Werkzeugherstellung sicher zu sein, dass dieses Werkezeug so optimal wie möglich seinen Dienst wie gewünscht verrichten wird oder sei es als Detektionshilfe bei der Suche nach Fehlerursachen und Aufspüren von Einsparpotentialen.

Die Simulation hilft stabile Prozesse zu planen, zu implementieren und zu betreiben. Sie hilft aber auch Taktzeiten zu optimieren und durch Optimieren von Begasungszyklen Aminverbräuche zu senken. Steigerung der Produktivität und Reduzierung von Ressourcenverbräuchen können so erzielt werden.

Im internationalen hart umkämpften Gießereimarkt sicherlich ein Beitrag zur Steigerung oder Wahrung der Wettbewerbsfähigkeit.

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