9/10 - Verein österreichischer Gießereifachleute

HEFT 9/10 GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007)
Bild 12: Schliffbild eines Druckgussteils aus [4]
Bild 13: Schema des Randschichtmodells in FEMFAT
Dieses Beispiel zeigt eindrucksvoll, wie stark und effizient das Zusammenwirken
mehrerer Simulationsergebnisse die Bauteileigenschaften
verbessern und somit den Entwicklungsprozess optimieren können.
Berücksichtigung eines Randschicht-Modells
bei Druckguss-Bauteilen
Bei Bauteilen, hergestellt im Druckgießverfahren, bildet sich aufgrund
der Prozesscharakteristik eine dünne, nahezu porenfreie, Randschicht
(Gusshaut mit Dicke von ca. 0,5 mm) aus, Bild 12. Dadurch ergibt
sich über den Bauteilquerschnitt betrachtet eine inhomogene Verteilung
der Materialeigenschaften. Der Kern des Bauteils ist gekennzeichnet
durch Gasporosität, Einschlüsse und Gefügefehler, wodurch
das Bauteil in der quasi fehlerfreien Randschicht wesentlich widerstandsfähiger
ist.
Bisher wurden Druckgussteile bei Dauerfestigkeitsanalysen vorwiegend
mit homogener Verteilung der Materialeigenschaften über den
Bauteilquerschnitt bewertet. Versuche haben jedoch immer wieder
aufgezeigt, dass durch die herkömmliche Betriebsfestigkeitsanalyse
deutlich zu konservative Ergebnisse ermittelt wurden. Der Grund
dafür liegt in der wesentlich tragfähigeren Randschicht, die bislang
keine Berücksichtigung fand. Da Risse zufolge Betriebslasten vorwiegend
von der Bauteiloberfläche ausgehen, drängt sich die Berücksichtung
der porenfreien Randschicht bei Dauersicherheitsanalysen auf.
Für die Betriebsfestigkeitsanalyse in FEMFAT wurde ein Modell entwickelt,
um porenfreie Randschichten zufolge Druckgussherstellung
berücksichtigen zu können –„Boundary Layer Modell“. Bild 13 zeigt
eine schematische Darstellung des Randschichtmodells, implementiert
in der Betriebsfestigkeits-Software FEMFAT.
Dabei wird für die Randschicht ein eigenes Material mit den entsprechenden
Parametern definiert. Der wesentliche Vorteil dieser Methode
liegt in der Netzunabhängigkeit, das heißt die Randschicht
muss nicht als solche durch Finite Elemente dargestellt werden (FE-
Netz kann gröber sein als Randschicht). Dies würde in den meisten
Fällen zu einem sehr hohen Aufwand bzw. zu sehr feinen Vernetzungen
und somit langen Berechnungszeiten führen.
Notwendige Parameter, wie Dicke und Material
der Randschicht, können direkt vorgegeben
werden, wobei über die Struktur verschiedene
Bereiche unterschiedlicher Schichtdicken
definiert werden können. Voraussetzung für
die Anwendung dieser Methode ist jedoch die
Kenntnis über die Materialeigenschaften in der
Randschicht. Dadiese Kennwerte noch unsicher
sind, ist die Anwendbarkeit dieser Methode
zur Zeit noch beschränkt und bedarf weiterer
Forschungsarbeit, um Kenntnis über notwendige
Materialparameter zu erlangen.
FEMFAT bildet im Abstand der Randschichtdicke
fiktive Bewertungspunkte, an denen
Spannungen, Spannungsgradienten sowie lokale Bauteilwöhlerlinien
berechnet werden. In weiterer Folge können sämtliche Ergebnisse
wie Schädigung, Bauteillebensdauer etc. sowohl in der Grenzschicht
als auch an der Oberfläche der porenfreien Schicht ermittelt werden.
Zur Demonstration der Auswirkung einer porenfreien Gusshaut
wurde ein Motorlager auf herkömmliche Weise, d.h. gleiches Material
für das gesamte Bauteil, sowie mit Anwendung des Randschichtmodells
in FEMFAT analysiert und die Ergebnisse verglichen.
Als Spannungsinput für die Betriebsfestigkeitsrechnung wurde jeweils
die gleiche Datenbasis verwendet, wobei für die Finite Elemente
Rechnung keine spezielle Modellierung und Materialdefinition der
Randschicht vorgenommen werden musste. Das verwendete FE-Modell
ist in Bild 14dargestellt.
Bild 14: FE-Modell des Motorlagers
Für die Betriebsfestigkeitsanalyse in FEMFAT wurde eine konstante
Randschicht über das gesamte Bauteil von 0,5 mm definiert. Die Materialdaten
für die porenfreie Zone wurden durch Abgleich mit anderen
Versuchsergebnissen ermittelt. Tabelle 1zeigt eine Auflistung
der Daten für Randschicht- und Basismaterial (poröser Kern).
Tabelle 1: Materialdaten für porösen Kern (Basismaterial) und porenfreie Randschicht
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