Optimierte Lebensdauer von Druckgießwerkzeugen
Fonderie Mario Mazzucconi S.p.A. in Ponte San Pietro FOTO: MAZZUCCONI
VON ANDREAS HEITMANN, AACHEN, MECHELE ZANNI UND DANIELE BIANCHI, PONTE SAN PIETRO, ITALIEN
Die Lebensdauer des Werkzeugs ist einer der Hauptkostenfaktoren beim Druckgießen. Die italienische Gießerei Mazzucconi nutzte die Möglichkeiten der virtuellen Versuchsplanung in der Gießereisoftware Magmasoft, um die Formstandzeit für ein Lenkgetriebe deutlich zu erhöhen.
Leider blieb die Werkzeugstandzeit eines seit Längerem produzierten Gussteils hinter den Erwartungen zurück. Geometrieänderungen am Bauteil waren aufgrund der Serienfreigabe keine Option. Ziel des Projekts war es daher, die Haupteinflussgrößen des Prozesses auf die Formlebensdauer zu identifizieren und den Gießprozess entsprechend anzupassen.
Einer der größten Einflussfaktoren auf die Formlebensdauer sind thermomechanische Spannungen an der Formoberfläche und der damit verbundene Verschleiß. Diese Spannungen entstehen durch Temperaturwechsel im Gießzyklus. Die Gießerei Mazzucconi entschied sich, die folgenden Parameter zu untersuchen:
- Abstand der Temperierkanäle zur Formoberfläche,
- Durchmesser der Temperierkanäle,
- Temperatur des Temperiermediums,
- Abgusstemperatur,
- Sprühprozess.
Für jeden der fünf Parameter wurde ein eigener Versuchsplan aufgesetzt. Dabei nutzte die Gießerei die Simulationssoftware Magmasoft und MAGMAdielife, um die Formlebensdauer abzuschätzen. Um den Simulationsaufwand zu minimieren, wurde eine Ersatzgeometrie konstruiert, die vergleichbare Charakteristika wie das originale Lenkgehäuse besitzt. Zunächst wurde der Status quo des existierenden Prozesses simuliert und mit dem realen Schadensbild am Bauteil verglichen. Bild 2 (s. Komplettbeitrag unten) zeigt die bereits am Abguss sichtbaren Risse in der Form und das Ergebnis der Lebensdauerabschätzung.
Für den virtuellen Versuchsplan wurden zur Untersuchung des Abstands des Kühlkanals zur Formoberfläche neben dem Ausgangszustand drei Variationen mit den Abständen 3d, 5d und 7d definiert. Zusätzlich wurde eine Variante mit abgeschalteter Formtemperierung simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lebensdauer mit zunehmendem Abstand des Kühlkanals zur Oberfläche abnimmt. Für die untersuchten Varianten zeigt Bild 4 (s. Komplettbeitrag unten) den Temperaturverlauf an einem Punkt der Formoberfläche. Mit zunehmendem Abstand des Kühlkanals zur Oberfläche nimmt die Temperatur der Oberfläche zu Beginn des Sprühens zu. Durch die höhere Formtemperatur erzeugt das Sprühen einen höheren Temperaturgradienten, der zu höheren Zugeigenspannungen in der Formoberfläche führt. Die Druckspannung zu Beginn der Erstarrung ändert sich dagegen kaum. Insgesamt nimmt die Spannungsamplitude zwischen den Zugspannungen (während des Sprühens) und den Druckspannungen (beim Füllen/Erstarren) mit zunehmendem Abstand der Kühlung zur Formoberfläche zu. Durch die zunehmende Belastung reduziert sich die Formlebensdauer.
Andreas Heitmann, Anwendungstechnik, Magma Gießereitechnologie GmbH, Aachen, Mechele Zanni und Daniele Bianchi, Prozesssimulation, Fonderie Mario Mazzucconi S.p.A., Ponte San Pietro, Italien.