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Kernschießsimulation – Zum ökonomischen und ökologischen Vorteil der Gießerei

Kernschießsimulation

Zum ökonomischen und ökologischen Vorteil der Gießerei

Der globale Wettbewerb verlangt von Unternehmen immer bessere Qualität bei kürzeren Entwicklungs- und Produktionszeiten zu geringeren Kosten. Heutzutage ist die permanente Erneuerung eines immer vielfältigeren Produktsortiments eher die Regel und stellt eine Herausforderung für den Gießer dar.

In dieser Situation helfen u.a. Computerprogramme, wie z.B. eine Simulations-Software, Kosten zu senken, Entwicklungszeiten zu verkürzen und optimierte stabile Prozesse zu designen.

 
 
© ASK Chemicals GmbH

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Hat in früheren Tagen von der Idee zur Produktion noch der Entwicklungskreis vom Reißbrett über Modellbau, Gießversuch und mannigfaltige Anpassungen geführt, so kommen hier heute Computer Aided Design (CAD), Simulation, Computer Aided Machining (CAM) und Prototyping zum Einsatz. Kurz gesagt, heute reden wir vom Computer Aided Engineering (CAE).

Doch auch das ist sicher schon seit einigen Jahren üblich, wenn wir von Modellbau und auch speziell von der Entwicklung und Auslegung von Eingußsystemen reden. Hier sind die Vorteile und Möglichkeiten, die in diesem Zusammenhang die Simulationstechniken bieten, bekannt.

Als recht neu muss aber nach wie vor die Simulation der Kernherstellung betrachtet werden. Doch brauchen wir eine solche Simulation? Sicher weiß keiner mehr über sein Kerngeschäft, also das Herstellen von Kernen, als der erfahrene Gießer selbst. Dennoch muss man sich fragen – stimmt das? Wissen wir wirklich was passiert und ob wir das optimalste Setup designt haben?

Man könnte fast sagen, dass mithilfe der Simulation der Kernherstellung in eine der letzten „Blackboxes“ des Gießereiprozesses Licht gebracht wird, und dies hilft, unser „Kerngeschäft“ besser zu beherrschen.

Bei der Kernschießsimulation unterscheidet man zwischen zwei wesentlichen Simulations-Schritten. Zum einen das Simulieren des Füllvorgangs des Kernkastens, das eigentliche Schießen des Kerns, und zum anderen der Schritt einer möglichen oder notwendigen Begasung, also das Durchströmen einer, wie auch immer gefüllten, Kavität eines Kernkastens.

 
 

So ergibt sich z.B. aus der Visualisierung der Fülldynamik (Bild 1) die Möglichkeit, genaue Vorhersagen über Bereiche mit unterschiedlichsten Verdichtungsgraden zu treffen (Bild 2).

© ASK Chemicals GmbH

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Ebenso können Rückschlüsse auf Bereiche mit erhöhtem Werkzeugverschleiß gezogen werden oder Vorhersagen über Bereiche gemacht werden, in denen vermehrter Binder-Auftrag zu erwarten ist (Bild 3).

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Unter Verwendung der Simulations-Software ArenaFlow®, welche als einzige Software auf dem Markt die tatsächliche Interaktion zwischen Partikeln – also dem Sand – und dem Fördermedium Luft realitätsnah darstellen kann, sind Problembereiche mit unzureichender Verdichtung sehr anschaulich darstellbar (Bild 4).

Ursache des hier vorliegenden Verdichtungsproblems ist eine nicht optimale Entlüftungssituation.

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Aus dem Beispiel wird deutlich, dass die Fülldynamik oder das Füllverhalten in erster Linie von den Strömungsverhältnissen der Luft in einem Kernkasten abhängig ist.

Dieses Strömungsverhalten kann auch sehr deutlich durch Strömungsvektoren verdeutlicht werden und zeigt hier schon sehr genau, wo mit unzureichender Verdichtung oder bei einer Begasung mit Problemen zu rechnen ist.

In Bild 5 sind Bereiche mit unzureichender Luftströmung in dunkelblau dargestellt.

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Für die Begasung eines Kerns gibt diese Art der Simulations-Auswertung erste Hinweise darauf, ob ein homogener Prozess vorliegt. Zeigen sich hier im Bereich des Unterkastens schon schlechte Strömungsverhältnisse, so ist sicher vom Auftreten etwaiger Begasungsprobleme auszugehen.

Das bedeutet für die Praxis, dass deutlich längere Begasungszeiten und auch unnötig hohe Aminverbräuche als „Serienstand“ in einer Fertigung akzeptiert werden. Hier muss also von einem nicht effizienten Einsatz des Amins gesprochen werden.

Nachstehendes Beispiel (Bild 6) zeigt, wie durch konsequente Nutzung und entsprechender Optimierung des Setups eine deutliche Verbesserung des Kerns in seiner Qualität, als auch gleichzeitig eine Reduzierung der Taktzeit – ca. 28% – erzielt werden kann. In diesem Fall wurde nur das Setup der Entlüftung optimiert.

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Sehr häufig kommt es vor, dass zu bestehenden Kernschießmaschinen sogenannte Familien-Kernkästen konzipiert werden. Nicht selten sieht sich die Fertigung dann dem Problem ausgesetzt, dass bestimmte Kerne oder Bereiche von Kernen nur unzureichend verdichtet sind und so bei den Gussteilen oft zu erhöhtem Putzaufwand oder gar zu erheblicher Nacharbeit führen.

In den meisten Fällen liegt hier die Ursache im Zusammenspiel zwischen der installierten, als gegeben angenommenen und nicht weiter betrachteten Schießkopfgeometrie und dem tatsächlichen Setup des Kernkastens und der Anordnung der Schießdüsen.

Nachfolgende Bilder zeigen deutlich, dass bei der bestehenden Geometrie der Kern im linken hinteren Bereich nicht vollständig gefüllt werden kann, da nicht ausreichend Formstoff in der gegebenen Zeit durch das Sandmagazin nachfließen kann.

 
 

Eine solche Situation führt zwangsläufig zu erheblichen Mehrkosten, die durch eine entsprechende Simulation im Vorfeld vermeidbar wären. Eine angepasste Konstruktion des Schießkopfes wird sicher die billigere Abstellmaßnahme sein, aber schlimmstenfalls existierende Terminschienen und die mögliche Einhaltung von projektbestimmenden Meilensteinen gefährden.

Ein Praxisbeispiel anhand eines Ölkanal-Kerns in einer Konstruktion der AUDI AG zeigt, welches Potenzial die Kernschießsimulation für die Kosten- und Ressourcen-Einsparung bietet.
Im Rahmen eines Kundenprojekts bestand die Aufgabe, vor Neubau der Kernkästen ein bestehendes Setup zu überprüfen und ggf. zu optimieren.

Unterstützt und getrieben wurde das nicht nur durch die Gießerei selbst, sondern auch durch den Kunden, die AUDI AG, welche als OEM, der selber keine Gießerei betreibt, in der Kerne verwendet werden, konsequent auf Simulation als Mittel zum Erzielen stabiler Prozesse sowohl in der Gießerei, als in späteren Abnehmerbetrieben, setzt.

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Zusammenfassung

Die Simulation der Kernherstellung bietet wie jede andere Form der Simulation enormes Potenzial für die Entwicklung wie für die Fertigung. Sei es, um im Rahmen der Entwicklung von Werkzeugen schon vor Start einer teuren Werkzeug-herstellung sicher zu sein, dass dieses Werkezeug so optimal wie möglich seinen Dienst wie gewünscht verrichten wird, oder sei es als Detektionshilfe bei der Suche nach Fehlerursachen und dem Aufspüren von Einsparpotenzialen.

Die Simulation hilft, stabile Prozesse zu planen, zu implementieren und zu betreiben. Sie hilft aber auch, Taktzeiten zu optimieren und durch Optimieren von Begasungszyklen Aminverbräuche zu senken. Steigerung der Produktivität und Reduzierung von Ressourcenverbräuchen können so erzielt werden.

Im internationalen hart umkämpften Gießereimarkt sicherlich ein Beitrag zur Steigerung oder Wahrung der Wettbewerbsfähigkeit.

Quelle: ASK CHEMICALS - Auf der GIFA in Halle 12 / A22

 
 

Kernschießsimulation - Bildergalerie

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ASK Chemicals
ASK Chemicals ist mit 1700 Mitarbeitern weltweit einer der größten Anbieter von Komplettlösungen und maßgeschneiderten Beratungsleistungen für die Gießereiindustrie.

Kern der Unternehmenstätigkeit ist die Herstellung aller für die Produktionskette im Gießereibereich notwendigen Hilfsmittel und Chemikalien sowie die Bereitstellung optimaler technischer Services, um die Produkte perfekt auf die Prozesse beim Kunden vor Ort abzustimmen.

Der Umwelt verpflichtet
Die Herausforderungen des weltweiten Gießereimarktes liegen vor allem in der Energie- und Ressourceneffizienz sowie in der Reduktion von Emissionen.

Deshalb entwickelt ASK Chemicals gezielt Lösungen für umwelt- und mitarbeiterschonende Anwendungen, die gleichzeitig die Effizienz im gesamten Produktionsprozess erhöhen.

Website: www.ask-chemicals.com