DNAguss: Multikriterielle Optimierung von Gussbauteilen

Optimierung der Gießbarkeit, Leichtbau, Betriebsfestigkeit und Prüfbarkeit

Softwaretool zur Konstruktion von Gussbauteilen

DNAguss steht für durchgängige numerische Auslegung entlang der Prozesskette von Gussbauteilen und ist ein innovatives Forschungsprojekt, das sich auf die Optimierung der Konstruktion von Gussbauteilen am Beispiel des Werkstoffs EN-GJS-400-18-LT konzentriert. Das Ziel des Projekts ist es, alle Softwaretools, die während des Konstruktionsprozesses von Gussbauteilen verwendet werden, in einer einzigen Softwarekette zusammenzufassen, um die Gießbarkeit, den Leichtbau und die zerstörungsfreie Prüfbarkeit bei sichergestellter Betriebsfestigkeit zu optimieren.

Im Projekt DNAguss wird ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der Topologie- und Formoptimierung, Gießprozesssimulation, Strukturmechanik und Betriebsfestigkeit vereint, um die Konstruktion von Gussbauteilen hinsichtlich des Leichtbaus zu optimieren.

Situationsanalyse im Fokus

Einer der wichtigsten Schritte bei der Konstruktion ist die Situationsanalyse, bei der der Bauraum, die zu übertragenden Kräfte und weitere Randbedingungen definiert werden. Dies dient als Grundlage für die Erstellung des CAD-Modells mittels Topologieoptimierung. Dabei wird die strukturmechanische Simulation in Permas durchgeführt. Der Vorteil der Topologieoptimierung liegt darin, dass grundlegende Anforderungen an die Gießbarkeit und Prüfbarkeit automatisch berücksichtigt werden können und eine materialsparende Konstruktion ermöglicht wird. Alternativ ist auch eine manuelle Konstruktion oder die Verwendung eines bereits konstruierten Bauteils möglich.

Nach Erstellung des CAD-Modells wird die Gießbarkeit des Bauteils durch eine Gießprozesssimulation in Magmasoft sichergestellt. Dabei wird auch die lokale Gefügezusammensetzung berechnet, die später in der Softwarekette verwendet werden kann.

Anschließend erfolgt die Gestaltoptimierung, bei der die Betriebsfestigkeit mit Hilfe von FEMFAT in die Gestaltoptimierungsschleife integriert und als Werkzeug für die Lebensdauerberechnung verwendet wird. Dabei kann entweder ein lokales oder globales Gefüge mit den entsprechenden Materialdefinitionen gewählt werden.

software Konstruktion von Gussbauteilen — Abbildung 1: Wöhlerlinien zum Werkstoff EN-GJS-400-18-LT bei einem Spannungsverhältnis von R=-1 und unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten bzw. Wanddicken mit zugehöriger Metallographieauswertung.

Gefügezusammensetzung entscheidet über Lebensdauer

Basierend auf den Ergebnissen von Magmasoft, Versuchs- und Metallographiedaten kann über eine Korrelationsgleichung die lokale Schwingfestigkeit in Abhängigkeit von der lokalen Gefügezusammensetzung bestimmt werden. Dies ermöglicht eine gezielte Gewichtsoptimierung bei gleichzeitiger Sicherstellung der Betriebsfestigkeit. Insbesondere bei Bauteilen mit lokal unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten ist die Verwendung einer lokalen Materialdefinition sinnvoll, da das Gefüge innerhalb des Bauteils stark variieren kann. Unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten können zum Beispiel durch unterschiedliche Wanddicken entstehen. Eine geringe Wanddicke führt zu einer kurzen Abkühlzeit. Infolgedessen bildet sich ein Gefüge mit einer hohen Graphitausscheidungsdichte aus, die zu einer höheren Beanspruchbarkeit führt. Neben der Graphitausscheidungsdichte hat das Ferrit-/Perlit-Verhältnis einen Einfluss auf die Beanspruchbarkeit. Ein hoher Ferritanteil führt zu einer geringeren Beanspruchbarkeit (Abbildung 1).

Verkettung fortschrittlicher Softwaretools

Zusammenfassend zeigt DNAguss, wie durch die Verkettung fortschrittlicher Softwaretools die Konstruktion von Gussbauteilen revolutioniert werden kann. Durch die Integration aller in der Konstruktion verwendeten Softwaretools in eine einzige Softwarekette können Gießbarkeit, Leichtbau, Betriebsfestigkeit und zerstörungsfreie Prüfbarkeit von Bauteilen optimal aufeinander abgestimmt werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Strukturgestaltung, Gewichtsreduzierung und Senkung der Herstellungskosten bei gleichzeitiger Sicherstellung der Betriebsfestigkeit.