Vom Versuch zur virtuellen Werkstoffplanung

46. Aachener Gießerei-Kolloquium

FOTO: RWTH AACHEN

Das – in diesem Jahr rein digitale – Aachener Gießerei-Kolloquium fokussierte sich thematisch stark auf den Bereich der Simulation. Die Themen der drei spannenden Tage standen im Spannungsverhältnis zwischen Experiment und Analyse sowie korrekter Vorhersage und Gießerei 4.0 im betrieblichen Alltag.

 

 

 

Traditionell treffen sich die Aachener, deutschen und auch internationalen Gießer beim Aachener Gießerei-Kolloquium, um sich fachlich sowie persönlich auszutauschen, der Gießer-Abend ist fester Bestandteil. Doch auch hier erzwang Corona neue Wege. Nachdem die Veranstaltung bereits 2020 abgesagt werden musste, hatte sich das Team um Institutsleiter Professor Andreas Bührig-Polaczek in diesem Jahr sehr konsequent für eine reine Digitalveranstaltung entschieden und wurde mit einer kontinuierlich hohen Teilnehmerzahl belohnt. Auch das seit einigen Jahren stattfindende Doktorandenseminar bekam mit 16 ausgewählten Postern einen eigenen virtuellen Raum. Durch die Beiträge rund um das Thema Gießerei 4.0, von denen hier auszugsweise einige vorgestellt werden, führten der Vorsitzende der Aachener Gießer-Familie (AGIFA), Dr. Jörg Sturm, und der Akademische Direktor des Gießerei-Instituts, Dr. Uwe Vroomen, unterstützt von einem mehrköpfigen Technik-Team.

 

Die Möglichkeit, die Vorgänge der Black-Box „Gießen und Erstarren“ zu verstehen, darzustellen und schließlich im Voraus zu berechnen, erweiterte sich mit den zunehmenden Kapazitäten der Rechner in den 1970ern enorm und begründete die Anfänge zunächst der Erstarrungssimulation, erklärte Jörg Sturm in seiner Einführung. Seither war die Entwicklung nicht mehr aufzuhalten. Beispielsweise kann man heute nicht nur Spannungen und Verzug im Gussstück darstellen, sondern auch die resultierenden Verhältnisse in Form und Kern sowie den Einfluss der Wärmebehandlung. Im Autonomous Engineering schließlich, wird optimalerweise der gesamte thermische Prozess berücksichtigt und die zu wählenden Parameter errechnet, so Jesper Thorberg, Magma Gießereitechnologie GmbH, auch wenn es immer noch Unsicherheiten etwa bezüglich der Verhältnisse beim Durchlaufen des Erstarrungsintervalls gibt.

Wichtig ist, neben der Qualität des makroskopischen Gussstücks, die entstehende Mikrostruktur in Abhängigkeit von Energie, Enthalpie und Strahlung zu berücksichtigen, führte Mark Samonds, ESI US R&O, aus. Jakob Olofsson, Jönköping University, bestätigte, dass die Erkenntnisse aus den Prozesssimulationen und -optimierungen sich umgekehrt auch nutzen lassen, um die resultierenden Eigenschaften eines Materials zu beeinflussen. So können durch eine gezielte Erstarrung etwa lokale Materialeigenschaften modelliert werden. Christoph Beckermann, University of lowa, zeigte, wie sich im Stahlguss Luft- und andere Einschlüsse sowie Verformungen sehr real abbilden lassen. Entsprechend ist über die „Rückwärts“-Simulation ein Re-Design etwa des Anschnittsystems oder der Wärmeführung möglich. Um einen gegenseitigen Nutzen von den vielfältigen Möglichkeiten der Simulation zu haben, wurde mit der ICME (Integrated Computational Materials Engineering) eine weltweite Vereinigung von Material-Simulationssoftware ins Leben gerufen, die auf einer Plattform den teilnehmenden Institutionen zur Verfügung steht, berichtete Georg Schmitz, ACCESS e.V.

Doch auch wenn mittlerweile fast alles simulierbar ist, warnte Michael Barkhudarov, Flow Science lnc., bleiben verifizierende Experimente nach wie vor enorm wichtig. Nur wenn Physik und Thermodynamik verstanden sind, können sinnvolle Rechenmodelle entwickelt werden, schloss sich Wilfried Kurz, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, in seinem Vortrag an. Achim Egner-Walter, Martinrea Honsel Germany GmbH, bestätigte, dass bei virtueller Bauteil- und Prozessoptimierung verlässliche und korrekte Materialdaten besonders wichtig sind. Auch müssen die Simulationsergebnisse immer wieder mit der Realität abgeglichen werden, etwa für lokale Topologie- Optimierungen, die einen wichtigen Teil der Versagenssimulation darstellen.

Franz Josef Feikus, Nemak Europe GmbH, ging der Frage nach, wie weit die Künstliche Intelligenz (KI) als Optimierungswerkzeug in der Serienproduktion angekommen ist. Zwar stellt sie bei der Bauteilauslegung den Stand der Technik dar und läuft bei der Kernfertigung gerade an, aber beim Schmelzen fehlt eine serienmäßige Anwendung weitestgehend, sodass diesbezüglich noch viel zu tun sei. Gerade konnte beispielsweise simuliert werden, dass nicht das Abschrecken die größten Geometrieabweichungen initiiert, sondern das falsche Lagern im Behandlungsofen. Auch Eben Prabhu, Ford Motor Company, berichtete, dass vor allem bei der Entwicklung immer komplexer werdender Gussteile kein Weg mehr an der virtuellen Planung vorbeiführt.

Kai Kerber, Oskar Frech GmbH + Co. KG, sprach über das cyber-physikalische System Druckgießprozess sowie das virtuelle Produktdesign aktuell und als Zukunftsvision. Ausgehend von der Simulation einzelner Aspekte, über die mehrkomponentige und die Echtzeit-Simulation, soll ein adaptives Produktdesign möglich werden. Konrad Weiß, RWP GmbH, unterstrich, dass die korrekte Verknüpfung der realen mit der virtuellen Welt wichtig ist, um genaue Vorhersagen über das gewünschte Produkt treffen zu können. Ziel sei es beispielsweise, auf 5 % genaue Vorhersagen über Werkstoffeigenschaften aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Schmelze zu machen. Ferner kommt der Bauteilrückverfolgung über den gesamten Prozess eine immer wichtigere Rolle zu.

Mit den Gussteilen werden auch die Kerne immer komplexer und fragiler. Umso wichtiger ist es, ebenfalls den Sandprozess zu verstehen und abzubilden. Jörg Sturm und Ingo Wagner, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, stellten den virtuellen Kern vor, der einen Teil der Gesamtprozesssimulation darstellt. Björn Pustal, Gießerei-Institut RWTH Aachen, referierte über Entwicklungen von Simulationstools, die entsprechend des integrativen Denkens arbeiten, z.B. Kinetiksimulationen bei der Fragestellung, was beim lokalen Legieren passiert.

Nach drei fachlich spannenden Tagen resümierte die Tagungsleitung: Gießereifachleute sind auf dem Weg vom Trial-and-Error zu den Meistern der korrekten Vorhersage weit vorangeschritten. Die größte Herausforderung sei es, die Informationen auf die richtige Weise zu nutzen, um sie möglichst effektiv in den Betriebsalltag zu integrieren.

 

Dr.-Ing. Monika Wirth, BDG