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Virtuelle betriebsfeste Auslegung von Aluminium-Druckgussbauteilen

Das Ziel des Projekts ist eine verbesserte Methodik zur Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen von Aluminium-Druckgussbauteilen. Berechnungen nach dem Stand der Technik zeigen eine Unterschätzung des Bauteilpotentials um den Faktor 2. Durch das Fehlen adäquater Modelle konnte bisher die inhomogene Porenverteilung im Bauteil nicht berücksichtigt werden, wodurch es zu diesen großen Abweichungen kam. Durch die Kombination der beiden Modelle – dem bruchmechanischen Werkstoffmodell und dem statistischen Porositätsmodell – lässt sich der Einfluss der inhomogenen Porenverteilung im Bauteil bei der Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen berücksichtigt.

Die durchgehende Prozesskettensimulation vom Urformen bis zum fertigen Bauteil und dessen Lebensdauer hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei wird die gesamte Lebensdauer eines Bauteils, vom Herstellprozess mit all seinen Prozessschritten und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften, bis hin zum Versagen betrachtet.

Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Materialmodell hergeleitet, um die Schwingfestigkeit in Abhängigkeit der Porengröße zu berechnen. Dabei haben wir gezeigt, dass die Lebensdauer einer Probe bruchmechanisch beschrieben werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass der Riss innerhalb der ersten Zyklen an einer Pore initiiert und danach die Lebensdauer von der Risswachstumsgeschwindigkeit durch das Gefüge bestimmt wird. Über die Gleichung nach El-Haddad wurde ein Zusammenhang zwischen der Schwingfestigkeit und der Porengröße gefunden. Die dafür notwendigen bruchmechanischen Kennwerte wurden aus Rissfortschrittskurven abgeleitet. Die Verifikation dieses Ansatzes erfolgte über spannungsmechanische Probenversuche und durch Risswachstumsuntersuchungen kurzer Risse.

Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Herleitung eines statistischen Porositätsmodells zur Abschätzung der Porenverteilung in einem Druckgussbauteil aus den Ergebnissen einer Gießprozesssimulation. Für die Identifikation der Zusammenhänge zwischen gemessener Porenverteilung und den Parametern aus der Gießsimulation wurden Platten mit einer Aluminiumlegierung in unterschiedlichen Qualitäten (variierender Nachdruck und Gießkolbengeschwindigkeit) abgegossen. Die Platten wurden zerschnitten, um die Porenverteilung zu vermessen.

Mittels Self-Organizing Maps haben wir die Gießsimulationen mit den realen Porenverteilungen in den abgegossenen Platten verglichen, wobei sich eine starke Korrelation zwischen der Temperatur aus der Erstarrungssimulation und der gemessenen Porosität zeigte. Das statistische Porositätsmodell erlaubt es somit, die Porositätsverteilung für einen definierten Temperaturbereich in Abhängigkeit des Nachdrucks zu berechnen.

Die gemeinsame Anwendung des bruchmechanischen Materialmodells und des statistischen Porositätsmodells erlaubt eine verbesserte Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen unter Einbindung der Ergebnisse der Gießsimulation. Ein Vergleich der Ergebnisse der neuen Methodik mit jenen der konventionellen Berechnung zeigt eine deutliche Erhöhung (ca. um den Faktor 2) der berechneten Sicherheit. Das Projekt wurde durch den Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau in Zusammenarbeit mit MAN Nutzfahrzeuge, Georg Fischer und dem MCL durchgeführt.