Porenbildung bei Formguss-Teilen

Merkle & Partner ermöglicht Festigkeitsnachweis trotz Porenbildung

Bauteil mit Gussfehlern (Poren, Lunker) – nicht immer von außen sichtbar. (Bildquelle: @Volume Graphics GmbH)

Der Einsatz von Simulationstechnologien in der Gießerei-Branche ist nicht neu. Bereits seit den 80er Jahren werden numerische Methoden eingesetzt, um den Gießprozess und Formteile zu bewerten. Nur die Modellierung von Poren und Lunkern war bis dato aufwändig und nicht wirtschaftlich abbildbar, was vor allem im Leichtbau eine Hürde für einen soliden Festigkeitsnachweis darstellt. Merkle & Partner füllt diese Lücke nun: auf Basis von Simulationstechnologien, die über bildgebende Verfahren ergänzt werden.

Vom Flugzeug-, über den Schiffs- und Automobilbau bis hin zur Medizintechnik ist der Formguss wichtiger Bestandteil in der Produktfertigung. Dabei werden Geometrien material- und gewichtssparend möglichst leicht konstruiert. So liegen die Bauteile in der Auslastung in der FEM-Berechnung oft schon im Grenzbereich. Für Materialfehler ist hier kaum mehr Raum. Vor allem, wenn Poren an Stellen auftauchen, die hoch belastet sind.

Die Modellierung von Poren in herkömmlichen FEM-Systemen ist aufwändig. Wenn nötig beschränkt man sich daher auf wenige, kritische Poren an oder dicht unter der Oberfläche. Das Ergebnis ist fraglich, die Simulation des Bauteils mit diesen ausgewählten Poren ist weiterhin mit hohem Aufwand verbunden.

„Diese Lücke war für uns nicht hinnehmbar“, so Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner GbR. „Daher ergänzen wir unsere Simulationstechnologien mit Werkzeugen aus der Bildverarbeitung“.
Basis der Simulationen ist eine Software des Unternehmes Volume Graphics GmbH. Dabei werden Bauteile über industrielle Computertomographie (CT) komplett durchleuchtet. Aus den aufgenommen Projektionen rekonstruiert die Software ein dreidimensionales Volumen einschließlich aller Informationen über Materialien und Geometrien.

So werden die Formteile bei Merkle & Partner durch eine Computertomographie schnittweise vermessen und als Volumenmodell aufbereitet. Mit netzfreien Lösungsalgorithmen (Immersed Boundary Solver) lassen sich unter Annahme eines rein linearelastischen Verhaltens die Spannungen des realen Bauteils bestimmen und bewerten.
„Diese Möglichkeiten der Berechnung sind neu und werden aktuell noch viel zu wenig genutzt,“ so Stefan Merkle. „Auf Basis entsprechend vernetzter Technologien lassen sich Festigkeitsnachweise trotz Porenbildung führen – oder im Gegenzug Ursachen und Lösungen erarbeiten.“

Abgeleitete Vernetzungen für herkömmliche FEM-Programme anhand von CT-Aufnahmen sind nach Merkle & Partner noch Zukunftsmusik, bieten aber über kurz oder lang die Möglichkeit, auch alle nichtlinearen Effekte mit einzubeziehen.

Das Ingenieurbüro Merkle & Partner GbR in Heidenheim wurde 1989 von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet und zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftlicher Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Wolfsburg, Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtueller Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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