DE102010054272A1

DE102010054272A1 - Verfahren zum Simulieren von Gussfehlern und Mikrostrukturen von Gussteilen

Info

Publication number: DE102010054272A1
Application number: DE102010054272A
Authority: DE
Inventors: Qigui Mich. Wang; Gerald Peter Mich. Backer; Daniel L. Mich. Metzger
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: US20110144788A1; DE102010054272B4; US8355894B2; CN102117358A; CN102117358B

Abstract

Es werden Systeme zum Voraussagen von Gussfehlern und einer Mikrostruktur in Gussteilen von Zulieferern/Anbietern für eine Analyse der Haltbarkeit eines Teils/Systems geschaffen, ohne dass die Details der Gussteilgestaltung sowie der Anguss- und Speiserausgestaltung des Gussteils wie auch die Gussprozessparameter bekannt sind. Die Systeme umfassen die Verwendung eines integrierten Modells eines Porenwachstums und einer interdendritischen Strömung. Ebenso sind Verfahren zum Voraussagen von Gussfehlern und Mikrostrukturen eines Teils, ohne dass die Details der Gussteilgestaltung sowie der Anguss- und Speiserausgestaltung des Gussteils wie auch die Gussprozessparameter bekannt sind, und Erzeugnisse vorgesehen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Voraussagen von Gussfehlern und Mikrostrukturen in Gussteilen und insbesondere eine Methodik zum Simulieren und Voraussagen der Größe und des Volumenanteils von Gussfehlern und Mikrostrukturen in Gussteilen ohne Kenntnis der Ausgestaltung des Angusses und des Speisers des Gussteils.
Aluminiumgussteile werden aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichtsverhältnisses, ihrer guten Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion und ihrer relativ niedrigen Rohmaterialkosten weithin in Strukturanwendungen verwendet. Obwohl er mit anderen Herstellungsverfahren bezüglich der Kosten wettbewerbsfähig ist, kann der Gussprozess, der mit Aluminiumlegierungen verbunden ist, eine wesentliche Menge von Fehlern, wie beispielsweise eine Mikroporosität und Oxide, in das Material einbringen, welche die Ermüdungseigenschaften und andere mechanische Eigenschaften signifikant verschlechtern.
Das Voraussagen des Auftretens solcher Fehler, wie auch legierungs- und prozessabhängiger Mikrostrukturen, wäre vor dem Einrichten eines Herstellungsprozesses von signifikantem Wert, da Ausgestaltungs- und Herstellungsalternativen erforscht und schließlich optimiert werden könnten, die zu einer verbesserten Zuverlässigkeit in dem Gussprodukt führen würden.
Das mathematische Modellieren von Gussprozessen ist inzwischen weit fortgeschritten, mit kommerziell verfügbaren Programmen zum Voraussagen des Verhaltens bei dem Füllen einer Gussform und bei der Verfestigung für nahezu jeden Gussprozess. Software, die eine thermische, Druck- und Geschwindigkeitsverteilung im makroskopischen Maßstab wie auch makroskopische Fehler voraussagt, wie beispielsweise eingeschlossene Luft und eine makroskopische Schrumpfporosität aufgrund des Füllens der Gussform und der Verfestigung, ist leicht verfügbar, wobei die Genauigkeit von dem numerischen Verfahren und den verwendeten Randbedingungen abhängt. Die Voraussage einer Mikroporosität, von Oxiden und von detaillierten Mikrostrukturen ist jedoch wesentlich weniger fortgeschritten und in kommerziellen Programmen sehr eingeschränkt.
Um Gussfehler und eine Mikrostruktur genau vorauszusagen, die während des Füllens einer Gussform und während Verfestigungsprozessen gebildet werden, muss die vollständige Geometrie der Gussform Teil des Modells sein. Die Geometrie und die Konstruktion der Gussform (z. B. Orte, Größen von Angüssen, Läufen und Speisern, Gussformmaterialien, die Ausrichtung eines Teils in der Gussform während des Gießens und der Verfestigung usw.) sind wichtiges geistiges Eigentum von Gießereien. Dementsprechend sind Gießereien zurückhaltend, diese Information zu teilen.
Viele Kunden kaufen gegossene Aluminiumteile/-systeme von verschiedenen Zulieferern. Eine genaue Zuverlässigkeitsanalyse dieser Teile/Systeme wird problematisch, da die Gussfehler und die Mikrostruktur in solchen gekauften Teilen/Systemen mit dem existierenden Ansatz nicht vorausgesagt werden können.
Daher besteht eine Notwendigkeit für ein Verfahren zum Voraussagen von Gussfehlern und einer Mikrostruktur in gegossenen Aluminiumteilen, wenn die Details der Gussteilgestaltung und der Anguss/Speiser-Ausgestaltung wie auch die Parameter des Gussprozesses nicht bekannt sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden Systeme, Verfahren und Erzeugnisse geschaffen, um Gussfehler und eine Mikrostruktur in Gussteilen von Zulieferern/Anbietern für eine Haltbarkeitsanalyse eines Teils/Systems zu simulieren, ohne eines oder mehrere der Details der Gussteilgestaltung und der Ausgestaltung des Angusses und des Speisers des Gussteils und auch die Parameter des Gussprozesses zu kennen.
Gussprozess-Analysewerkzeuge wurden entwickelt, um die Strömung einer Schmelze und die Wärmeübertragung während des Füllens einer Gussform und einer Verfestigung vorauszusagen. Dieser Code erfordert ein vollständiges Netz (eine Geometrie) eines Gussteils, eines Angusses, von Speisern und aller Gussformteile. Während die Geometrie des Gussteils für den Kunden verfügbar ist, sind die anderen Anteile Gießereieigentum und nicht leicht verfügbar, insbesondere für die Teile, die durch Teilezulieferer hergestellt werden. Das Verfahren umfasst, dass der Teilezulieferer ein kommerzielles Softwareprogramm verwendet, um an seinem Standort die Analyse des Füllens einer Gussform und der Verfestigung mit einem vollständigen Modell auszuführen, das dessen geheime Anteile und eine Geometrie/ein Netz des Gussteils umfasst, die bzw. das durch den Kunden erzeugt wird, und dass anschließend Druckverteilungen des Gussmodells nach dem Füllen der Gussform und Temperaturverteilungen während der Verfestigung an den Kunden geliefert werden. Der Kunde kann anschließend die Gussfehler und die Mikrostruktur basierend auf dem entwickelten integrierten Modell eines Porenwachstums und einer interdendritischen Strömung und auch basierend auf den Temperatur- und Druckverteilungen simulieren, die durch den Teilezulieferer geliefert werden, ohne dass die geheime Ausgestaltung des Teilezulieferers für den Anguss und den Speiser des Gussteils bekannt sind.
Dieses Verfahren würde verhindern, dass bei den Teilezulieferern angefragt werden muss, geheime Information über deren Ausgestaltung des Gusssystems und die Parameter des Gussprozesses zu offenbaren. Der Kunde könnte die Gussfehler und die Mikrostrukturen voraussagen und dadurch eine genauere Haltbarkeitsanalyse des Teils/Systems des Teilezulieferers durchführen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Patent- oder Anmeldungsakte enthält zumindest eine Zeichnung, die in Farbe ausgeführt ist. Kopien dieser Patent- oder Patentanmeldungsveröffentlichung mit einer farbigen Zeichnung bzw. farbigen Zeichnungen werden durch den Anmelder auf Anforderung und bei Bezahlung der notwendigen Gebühr bereitgestellt.
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zum Voraussagen von Gussfehlern und einer Mikrostruktur von Aluminiumgussteilen ohne Kenntnis der detaillierten Gussformgeometrie und -konstruktion zeigt.
2A–B sind Flussdiagramme, die zwei Ausführungsformen des Simulationsprozesses der vorliegenden Erfindung zeigen.
3 stellt ein System zum Voraussagen von Gussfehlern und einer Mikrostruktur von Aluminiumgussteilen ohne Kenntnis der detaillierten Gussformgeometrie und -konstruktion gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
4 ist eine schematische Darstellung der Geometriedomäne für das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung.
5 ist ein Flussdiagramm für das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung.
6 ist eine Graphik, die einen Vergleich von vorausgesagten maximalen Porengrößen in einem Motorblock (10.000 Datenpunkte sind gezeigt) mit oder ohne Speisergeometrie in der Simulation zeigt.
7A–B sind Graphiken, die (a) eine Verfestigungszeit und (b) einen SDAS als eine Funktion der Distanz von einer Kupferblock-Abschreckplatte in dem Testhohlraum zeigen.
8A–B sind Graphiken, die einen Vergleich des vorausgesagten und gemessenen Volumenanteils der Mikroporosität an dem Mittelachsen-Querschnitt der Abschreckplatte zeigen. (a) H₂-Gehalt = 0,3 cm³/100 g und (b) H₂-Gehalt = 0,13 cm³/100 g.
9A–B sind Graphiken, die einen Vergleich der vorausgesagten und gemessenen maximalen Porengrößen an dem Mittelachen-Querschnitt der Abschreckplatte zeigen. (a) H₂-Gehalt = 0,3 cm³/100 g und (b) H₂-Gehalt = 0,13 cm³/100 g.
10 ist eine Graphik, die einen Vergleich des vorausgesagten SDAS in einem Motorblock (10.000 Datenpunkte sind gezeigt) mit oder ohne Speisergeometrie in der Simulation zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Es wurde ein Verfahren entwickelt, um Gussfehler und die Mikrostruktur von gegossenen Aluminiumteilen/-systemen zu simulieren, ohne eines oder mehrere von der detaillierten Gussformgeometrie und -konstruktion, welche die Orte und Größen von Angüssen/Läufen/Speisern, Gussformmaterialien, Orientierung eines Teils in der Gussform während des Gießens und der Verfestigung usw. umfassen, und von Parametern des Gussprozesses zu kennen. Unter Verwendung von kommerziellen Codes zur Analyse des Gussprozesses führt ein Teilezulieferer die Analyse mit einem vollständigen Modell aus, das dessen geheime Anteile und eine Gussteilgeometrie umfasst, die durch den Kunden erzeugt wird. Der Teilezulieferer versorgt den Kunden mit Druckverteilungen des Gussmodells nach dem Füllen der Gussform und mit Temperaturverteilungen des Gussmodells während der Verfestigung. Der Kunde verwendet inverse Berechnungs- und Konstruktionsansätze, um Wärmeübertragungskoeffizienten und Randbedingungen sowie auch die Geometrie und Konstruktion des Anguss/Speisersystems und der Gussform basierend auf den Temperatur- und Druckverteilungen zu ermitteln, die von dem Teilezulieferer geliefert werden. Mit den gelieferten Druck- und Temperaturverteilungen oder den invers berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten und Randbedingungen sowie auch der geschätzten Geometrie und Konstruktion des Angusses/Speisers und der Gussform können Gussfehler und Mikrostrukturen entweder in Gussteilen oder in maschinell bearbeiteten Teilen/Systemen basierend auf dem entwickelten integrierten Modell eines Porenwachstums und einer interdendritischen Strömung und basierend auf dem selektiv angewendeten Verfahren mit Randbedingungen für Geschwindigkeit/Druck vorausgesagt werden.
1 fasst das Verfahren zusammen. Die Temperaturverteilung während der Verfestigung von Block 5 und die hydrostatische Druckverteilung nach der Füllung der Gussform von Block 10 werden durch den Teilezulieferer unter Verwendung einer kommerziell verfügbaren Software berechnet. Diese Information wird an den Kunden geliefert. Der Kunde verwendet diese Information, um dT/dt, HTC (Wärmeübertragungskoeffizienten) und die Verfestigung bei Block 15 sowie den hydrostatischen Druck bei Block 20 zu ermitteln, welche anschließend verwendet werden, um bei Block 25 die Orientierung des Gussteils während der Verfestigung zu ermitteln und den Ort und die Größe des Angusses/der Speiser usw. zu schätzen. Diese Information wird mit dem Geometriemodell für das Gussteil und/oder das maschinell bearbeitete Teil/Produkt von Block 30 und der Information bezüglich des verwendeten Materials, der Qualität der Schmelze und einer thermodynamischen Datenbank von Block 35 kombiniert, um die Gussfehler und die Mikrostruktur bei Block 40 zu simulieren. Die Simulation sagt die Größen, Volumenprozente und Verteilungen der Gussfehler und Mikrostrukturen bei Block 45 voraus.
2A ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des Systems und des Verfahrens. Der Prozess beginnt bei Block 100. Bei Block 105 wird das Geometriemodell für das Gussteil/maschinell bearbeitete Teil/Produkt, die Gusslegierung, die Qualität der Schmelze und die thermodynamische Datenbank eingegeben. Das System liest bei Block 110 die Temperaturverteilung basierend auf einer Zeit während der Verfestigung unter Verwendung der Temperaturverteilungs-Datensätze von dem Teilezulieferer, die in Block 115 gespeichert werden, es interpoliert diese und bildet diese ab. Das System liest den hydrostatischen Druck nach der Füllung der Gussform bei Block 120 unter Verwendung der Temperaturverteilungsdatensätze von dem Teilezulieferer, die bei Block 125 gespeichert werden, und es bildet diesen ab.
Die von den Zulieferer gelieferten Datensätze gelten für bestimmte Zeit- oder Temperaturintervalle. Folglich müssen die Temperaturen und Drücke zwischen den gelieferten Datensätzen interpoliert werden. Eine beliebige Interpolation wird jedoch im Vergleich zu einer tatsächlichen Simulation der Wärmeübertragung während der Verfestigung gewisse Fehler mit sich bringen.
Die Orientierung des Gussteils wird anschließend bei Block 130 ermittelt. Die Größe und Orte von Anguss/Lauf/Speiser werden bei Block 135 geschätzt. Die Randbedingungen werden anschließend bei Block 140 ermittelt. Die Gussfehler und die Mikrostruktur werden bei Block 145 simuliert, und die knotenpunktbasierte Größe sowie die knotenpunktbasierten Volumenprozente der Fehler und Mikrostrukturen werden bei Block 150 ausgegeben. Der Prozess endet bei Block 155.
2B ist ein Flussdiagramm einer anderen Ausführungsform des Systems und des Verfahrens. Der Prozess beginnt bei Block 100. Bei Block 105 werden das Geometriemodell für das Gussteil/maschinell bearbeitete Teil/Produkt, die Gusslegierung, die Qualität der Schmelze und die thermodynamische Datenbank eingegeben. Das System liest die Temperaturverteilung basierend auf einer Zeit während der Verfestigung bei Block 110 unter Verwendung der Temperaturverteilungs-Datensätze von dem Teilezulieferer, die bei Block 115 gespeichert werden, es interpoliert und bildet diese ab. Das System liest den hydrostatischen Druck nach der Füllung der Gussform bei Block 120 unter Verwendung der Druckverteilungsdatensätze von dem Teilezulieferer, die bei Block 125 gespeichert werden, und es bildet diesen ab. Die Orientierung des Gussteils, die Größen und Orte des Angusses/Laufs/Speisers werden bei Block 133 ermittelt. Die Geometrie des Angusses/Laufs/Speisers wird bei Block 137 zu dem Gussmodell hinzugefügt. Die Verfestigung wird bei Block 147 mit der Vorhersage der Gussfehler und Mikrostrukturen simuliert, und die knotenpunktbasierte Größe und die knotenpunktbasierten Volumenprozente der Fehler und Mikrostrukturen werden bei Block 150 ausgegeben. Der Prozess endet bei Block 155.
Die Datensätze der Temperaturverteilung von Block 110 werden bei Block 139 für die inverse Berechnung und Optimierung der HTC verwendet. Die Datensätze der Temperaturverteilung von dem Zulieferer werden als Zieltemperaturen (”gemessene” Temperaturen) verwendet. Wärmeübertragungssimulationen des Gussteils werden mit geschätzten HTCs ausgeführt, die iterativ optimiert werden, um die Abweichungen zwischen den berechneten Temperaturen und dem Temperaturdatensatz von dem Zulieferer beispielsweise unter Verwendung der nachstehenden Gleichung 3 zu minimieren. Die ermittelten HTCs werden bei Block 147 für eine Verfestigungssimulation und eine Gussfehler- und Mikrostrukturvoraussage zusammen mit den Größen und Orten des Ausgusses, des Laufs und des Speisers von Schritt 120–137 verwendet. Dies ist eine Alternative zu dem in 2A beschriebenen Verfahren. Obwohl es mehr Berechnungen umfasst, sollte es bessere Ergebnisse liefern.
Gemäß einer Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, kann ein System 200 die Gussfehler und die Mikrostruktur eines Teils vorhersagen. Das System 200 umfasst eine Informationseingabe 205, eine Informationsausgabe 210, eine Verarbeitungseinheit 215 und ein computerlesbares Medium 220. Die Informationseingabe 205 ist ausgebildet, die auf das Gussteil bezogene Information zu empfangen, wie beispielsweise eines oder mehrere von der Geometrie des Gussteils/maschinell bearbeiteten Teils/Produkts, der Gusslegierung, der Qualität der Schmelze, der thermodynamischen Datenbank und dem hydrostatischen Druck nach der Füllung der Gussform und den Datensätzen der Temperaturverteilung während der Verfestigung von dem Teilezulieferer. Die Informationsausgabe 210 ist ausgebildet, um eine Information bezogen auf die Größe und die Volumenprozente der Fehler und Mikrostrukturen weiterzuleiten, die durch das System vorausgesagt werden. Das computerlesbare Medium 220 umfasst einen computerlesbaren Programmcode, der in diesem verkörpert ist, wobei der computerlesbare Programmcode ein Verfestigungs-Simulationsmodul 225 und ein Gussfehler- und Mikrostruktur-Modellierungsmodul 230 umfasst. Ferner kann das computerlesbare Medium eine numerische und analytische Lösungseinrichtung 235 umfassen. Die numerische und analytische Lösungseinrichtung kann das Verfestigungs-Simulationsmodul 225 und/oder das Gussfehler- und Mikrostruktur-Modellierungsmodul 230 umfassen, und es kann mit einem beliebigen von dem Verfestigungs-Simulationsmodul 225 und dem Gussfehler- und Mikrostruktur-Modellierungsmodul 230 zusammenwirkend gekoppelt sein. Die numerische und analytische Lösungseinrichtung kann auf einer Analyse der finiten Elemente basieren, oder sie kann auf einer Analyse der finiten Differenzen basieren.
Das Verfestigungs-Simulationsmodel 225 verwendet eine Information von dem Gussteil-Geometriemodell 240, dem Modell 245 für die Anguss/Speisergestaltung und für die Speisergeometrie und aus der Datenbank 250 für temperaturabhängige Materialeigenschaften. Die Daten 255 des hydrostatischen Drucks nach Füllung der Gussform und die Daten 260 der Temperaturverteilung während der Verfestigung von dem Teilezulieferer werden in dem Modell 245 für die Anguss/Speisergestaltung und für die Speisergeometrie verwendet. Die Daten 260 der Temperaturverteilung während der Verfestigung werden bei der HTC-Ermittlung 265 verwendet. Diese Information wird durch das Verfestigungs-Simulationsmodul 225 verwendet.
Das Gussfehler- und Mikrostruktur-Modellierungsmodul 230 verwendet eine Information von dem Gussteil-Geometriemodell 240, der Datenbank 250 für temperaturabhängige Materialeigenschaften, dem Verfestigungs-Simulationsmodul 225 und die Randbedingung 270 für die Anguss/Speisergestaltung und den Speiser. Die Daten 255 des hydrostatischen Drucks nach Füllung der Gussform und die Daten 260 der Temperaturverteilung während der Verfestigung von dem Teilezulieferer werden bei der Randbedingung 270 für die Anguss/Speisergestaltung und den Speiser verwendet.
Die Verarbeitungseinheit 215 steht mit dem computerlesbaren Medium 220 in Verbindung und verarbeitet die Berechnungen und anderen Daten von diesem, um die Gussfehler und die Mikrostruktur eines Teils vorauszusagen.
Obwohl sich das folgende Beispiel auf Aluminiumgussteile bezieht, würde derselbe Prozess für andere Materialien gelten, wie beispielsweise Metalle und Metalllegierungen, wie es Fachleute verstehen werden. Beispiele für geeignete Materialien umfassen Aluminium, Magnesium, Stahl und andere Legierungen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Zusätzlich kann das Verfahren für maschinell bearbeitete Teile wie auch für Gussteile verwendet werden. Der Einfachheit halber wird der Ausdruck ”Gussteile” verwendet, um sowohl Gussteile als auch maschinell bearbeitete Teile zu umfassen.
1. Ermittlung von temperaturabhängigen zonenoptimalen Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC)
Während der Verfestigung folgt die Wärmeübertragung eines sich verfestigenden Aluminiumgussteils der Energiegleichung, und diese kann vereinfacht werden zu:
wobei ρ die Dichte ist (kg/m³); C_P die spezifische Wärme ist (J·kg^–1·K^–1); T die Temperatur ist (K); u der Geschwindigkeitsvektor ist (m·s^–1), L die latente Wärme ist (J·kg^–1); und λ die thermische Leitfähigkeit ist (W·m^–1·K^–1).
Während der Verfestigung wird das Temperaturprofil des Gussteils durch die thermischen Randbedingungen über die Metall/Gussform-Grenzfläche kontrolliert. Die Wärmeübertragung über die Metall/Gussform-Grenzfläche kann vereinfacht werden zu: Q = h_tc(T_c – T_m) (2) wobei Q der Oberflächen-Wärmefluss ist; h_tc der Grenzflächen-Wärme übertragungskoeffizient ist; T_c die Oberflächentemperatur des Gussteils an der Grenzfläche ist; und T_m die Gussformtemperatur an der Grenzfläche ist.
Als eine Ausführungsform dieser Erfindung werden die vorgeschlagenen zonenoptimalen Wärmeübertragungskoeffizienten unter Verwendung einer inversen Berechnung optimiert. Wenn die temperaturabhängigen Wärmeübertragungskoeffizientenwerte für verschiedene Zonen angenommen werden, kann die Temperaturhistorie/das Temperaturprofil des Gussteils unter Verwendung einer Wärmeübertragungssoftware einschließlich von kommerziellen Programmen berechnet werden, wie beispielsweise ABAQUS (Dassault Systèmes), Ansys (Ansys, Inc), WRAFTS (Flow Logic), EKK (EKK, Inc), ProCAST (ESI Corp), MagmaSoft (MAGMA Gießereitechnologie GmbH) usw. oder durch den Kunden entwickelte Codes. Während des Verlaufs der Optimierung der Wärmeübertragungskoeffizienten werden die temperatur- und zonenabhängigen Wärmeübertragungskoeffizienten unter Verwendung eines Gradientenverfahrens ermittelt, und die berechnete thermische Historie/das berechnete thermische Profil während der Verfestigung wird für die entsprechenden Orte in dem Gussteil mit dem Temperaturprofil verglichen, das durch den Teilezulieferer geliefert wird. Der Optimierungsprozess wird fortgesetzt, bis die Differenz zwischen der erneut berechneten thermischen Historie/dem erneut berechneten thermischen Profil und dem Temperaturprofil, das durch den Teilezulieferer geliefert wird, minimiert ist. Bei der inversen Berechnung wird die Zielfunktion ausgedrückt als:
Wobei T calc / i,j und T pro / i,j die berechnete und die gelieferte Temperatur in dem j-ten Zeitschritt des i-ten Ortes in dem Gussteil sind. M ist die Gesamtanzahl von Vergleichen, die für einen speziellen Ort durchgeführt werden, und N ist die Gesamtanzahl der kalibrierten Orte.
Wenn die Grenzschicht-Wärmeübertragungskoeffizienten optimiert sind, können die Gussformmaterialien und die Ausbildung der Gussform für das Gussteil ermittelt werden.
Dieser Schritt kann für die HTC-Ermittlung 139 von 2B und 265 von 3 verwendet werden.
2. Ermittlung der Orientierung eines Teils in der Gussform während des Gießens und der Verfestigung
Die Orientierung des Teils in der Gussform während des Gießens und der Verfestigung kann anhand der hydrostatischen Druckverteilung über das gesamte Gussteil/das gesamte maschinell bearbeitete Teil hinweg ermittelt werden. Ein nicht turbulentes, perfektes, komprimierbares und barotropes Fluid, das eine stationäre Bewegung ausführt, genügt der Bernoulli-Gleichung: u² / 2g + z + P / g = C (4)
Nach dem Füllen der Gussform können die Geschwindigkeiten auf makroskopischer Skala als Null angesehen werden, indem die natürliche Konvektion und die interdendritische Strömung vernachlässigt werden. Dementsprechend kann Gleichung (4) vereinfacht werden zu: z = C – P / g (5) wobei g die Gravitations-Beschleunigungskonstante ist (9,81 m/s²; 32,2 ft/s²), u die Geschwindigkeit des Fluids ist und z die Höhe über einem beliebigen Bezugspunkt ist. C bleibt konstant entlang einer beliebigen Stromlinie in der Strömung, es variiert aber von Stromlinie zu Stromlinie. Wenn die Strömung wirbelfrei ist, dann weist C denselben Wert für alle Stromlinien auf.
Gemäß Gleichung (5) kann die Metallhöhe für jeden Ort in dem Aluminiumgussteil und/oder dem maschinell bearbeiteten Teil berechnet werden. Indem der z-Wert jedes Orts in dem Aluminiumgussteil verglichen wird, kann die Orientierung des Teils während der Füllung der Gussform und der Verfestigung ermittelt werden. Der oberste Ort des Gussteils sollte im Vergleich zu dem unteren Teil des Gussteils geringere z-Werte aufweisen. Wenn ein Speiser in dem Gussteil verwendet wird, ist dieser üblicherweise an den oberen Abschnitt des Gussteils positioniert, und daher spiegelt die Differenz der z-Werte zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des Gussteils die Höhe des Speisers wider.
Dieser Schritt kann in dem Modell 245 für die Anguss/Speisergestaltung und für die Speisergeometrie und in der Randbedingung 270 für die Anguss/Speisergestaltung und den Speiser von 3 verwendet werden.
3. Ermittlung des Orts und der Größen der Speiser
Der Ort des Speisers kann anhand des Temperaturprofils des Gussteils während der Verfestigung leicht ermittelt werden. Im Allgemeinen verfestigt der Speiser zuletzt, und die Temperatur des Orts in dem Gussteil in der Nähe des Speisers ist daher üblicherweise höher als in den umgebenden Gebieten. Indem die Temperaturen der Oberflächen-Knotenpunkte des Gussteils verglichen werden, sollte der Ort des Speisers leicht ermittelt werden.
Es gibt zumindest zwei Wege, um die Speisergröße zu schätzen. Einer davon ist, eine numerische Modulierung des Wärmeübertragungsprozesses zu verwenden und den Speiser als eine externe Wärmequelle anzusehen. Die Temperaturverteilung des Gussteils mit einem Speisers kann simuliert werden unter der Verwendung von:
wobei Q .(T) die volumetrische Wärmequelle ist, die temperaturabhängig ist. Die Speisergröße kann geschätzt werden, indem die Abweichung zwischen den berechneten Temperaturdaten und dem Temperaturprofil, das durch den Teilezulieferer geliefert wird, minimiert wird.
Ein anderer Weg zur Bestimmung der Speisergröße basiert auf dem Geometriemodulverfahren. Der Geometriemodul des Speisers ist üblicherweise größer als derjenige des Gussteils, wo eine Zuführung benötigt wird. Der Modul des Gussteils kann ausgedrückt werden als: M_R = C·M_C (7) wobei M_R und M_C die Moduln des Speisers bzw. Gussteils sind; C die Konstante ist, die von dem Gussprozess und der Komplexität des Gussteils abhängt. Für einen Sandguss variiert der Wert von C zwischen 1,5 und 3. Der lokale Modul des Gussteils M_C kann anhand der lokalen Verfestigungszeit berechnet werden, die anhand des Temperaturprofils des Gussteils während der Verfestigung geschätzt wird. Für eine gegebene Legierung und einen gegebenen Gussprozess ist die lokale Verfestigungszeit eines Volumens (V) in einem Gussteil direkt mit dem lokalen Volumen-Oberflächenverhältnis (V/A-Verhältnis) verbunden, das sich auf einen äquivalenten lokalen Geometriemodul (Abschnittsmodul) (M_S) bezieht: t_s = B( V / A)² = B(M_s)² (8) wobei B die Chvorinov-Konstante ist und gegeben ist als:
wobei ΔH die latente Wärme für den Gussprozess ist (= H_f + ∑C_iΔT), H_f die latente Wärme der Verfestigung ist (der Schmelzmasse), h der Wärmeübertragungskoeffizient ist, C die spezifische Wärme ist und ρ die Dichte ist.
Dieser Schritt kann in der Randbedingung 270 für die Anguss/Speisergestaltung und den Speiser von 3 verwendet werden.
4. Simulation der Gussfehler und der Mirkostruktur der Gussteile
A. Mikroporosität
Die Mikroporosität in Aluminiumgussteilen wird durch die Integration eines Modells der interdendritischen Strömung aus dem Stand der Technik und dem neu entwickelten Modell des Porenwachstums simuliert. Da die grundsätzlichen Schwächen der Modelle für die interdendritische Strömung die Annahmen sind, die benötigt werden, um die Porengröße zu spezifizieren, wird vorgeschlagen, ein Modell der Porengröße mit einem Modell der interdendritischen Strömung zu kombinieren, wodurch die Annahmen ersetzt werden. Dadurch könnten die Poren in Ansprechen auf die thermische und dynamische Historie eines Gussteils Keime bilden und wachsen, während die Porosität wiederum das Strömungsfeld während der Verfestigung modulieren würde.
Für das kombinierte Modell des Porenwachstums/der interdendritischen Strömung wird angenommen, dass eine Population von Poren Keime mit einem anfänglichen Durchmesser von 10 Mikrometer bildet, wenn die Wasserstoffkonzentration größer als die Sättigungskonzentration ist. Die Poren wachsen anschließend durch Wasserstoffdiffusion durch das flüssige Metall zu der Porengrenzfläche und durch den Druckabfall aufgrund des Schrumpfens des eingeschlossenen weichlichen Metalls. Einzelne Porenvolumina werden summiert, um das Porenvolumen in jedem Element zu ermitteln, was eine Rückkopplung von den Porositätsberechnungen in das Strömungsfeld liefert.
Die Gleichungen, die in den Modellen der interdendritischen Strömung für die Mikroporosität verwendet werden, sind eine Impulsbilanz (Gleichung 11), die Kontinuitätsgleichung (Gleichung 12), eine thermische Energiebilanz (Gleichung 13) sowie eine Transportgleichung und eine Massenbilanz für die Wasserstoffkonzentration (Gleichungen 14, 15).
Die Impulsbilanz (Gleichung 11) nimmt an dass die Fluidströmung durch das Darcy'sche Filtergesetz für eine Strömung durch ein poröses Medium mit der Permeabilität K bestimmt ist. In dieser Gleichung ist u der Oberflächen-Geschwindigkeitsvektor, μ die Viskosität, P der Druck, ρ_l die Flüssigkeitsdichte und g der Gravitationsvektor.
Die Kontinuitätsgleichung (12) bilanziert die flüssige Strömung in ein Volumen gegenüber der Änderung zwischen der flüssigen und festen Dichte ρ_l und ρ_s und dem Poren-Volumenanteil f_p. Die thermische Energiebilanz (Gleichung 13) besteht aus einer Bilanz von Konvektion, Diffusion und der Freigabe von latenter Wärme der Schmelzmasse L in ein Volumenelement. Die thermophysikalischen Eigenschaften sowohl für die Flüssigkeit als auch den Festkörper werden durch die mittlere Dichte ρ, die spezifische Wärme C_p und die thermische Leitfähigkeit λ repräsentiert. Diese thermophysikalischen Eigenschaften hängen von der Temperatur und der Zusammensetzung ab.
Gleichung 14 modelliert den Transport von Wasserstoff mittels eines Standard-Konvektions-Diffusionsmodells, während Gleichung 15 die anfängliche Sauerstoffkonzentration C_H0 in die Konzentration C_Hs in der festen Phase, die Konzentration C_Hl in der flüssigen Phase und die gebildete Porosität aufteilt. R ist die allgemeine Gaskonstante.
Es werden Hilfsgleichungen benötigt, um die Wasserstoffkonzentration in der festen und der flüssigen Phase mit dem Druck in Beziehung zu setzen. Diese sind durch das Sievert'sche Gesetz gegeben (Gleichungen 16, 17), wobei K_s und K_l die Gleichgewichtskoeffizienten sind, die von der Temperatur und der Zusammensetzung abhängen. [C_Hs] = K_sP_g ^½ (16) [C_Hl] = K_lP_g ^½ (17)
Der Druck des Wasserstoffgases in den Poren P_g ist die Summe des atmosphärischen Drucks, des metallostatischen Kopfdrucks und des Drucks aufgrund der Oberflächenspannung:
wobei σ_LG die Oberflächenspannung der Legierung ist und R_cur der minimale Krümmungsradius der Pore ist.
Die theoretische Basis für die Modelle des Porenwachstums ist, dass das Porenwachstum durch die Rate bestimmt wird, mit der Wasserstoff durch die Grenzfläche von Pore/Flüssigkeit diffundiert. Eine Diffusionsgleichung (Gleichung 19) wird daher für ein spezielles Volumen von Material aufgestellt, das eine sphärische Pore eines speziellen anfänglichen Radius umgibt. 4 ist eine schematische Darstellung der geometrischen Domäne für das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung. Die feste und flüssige Legierung 280 weist eine Gaspore 285 auf. Die Gaspore weist einen Radius R_pore auf, während die Legierung einen Radius R_system aufweist. Wasserstoff, der während der Verfestigung in die flüssige Phase zurückgeschickt wird, wird durch den Quellenterm S_H repräsentiert.
Die Diffusionsgleichung wird anschließend in sphärischen Koordinaten gelöst, während die Verfestigung voranschreitet, wobei die Randbedingungen gegeben sind durch: i) die Wasserstoffkonzentration C_Hl in der Flüssigkeit an der Porengrenzfläche R_pore, die gemäß dem Sievert'schen Gesetz mit dem Wasserstoffgasdruck P_g in der Pore im Gleichgewicht steht; und ii) einen Wasserstofffluss von Null an dem äußeren Radius R_system.
5 ist ein Flussdiagramm, welches das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung zeigt. Der Prozess wird bei Block 300 gestartet. Bei Block 305 werden u und T unter Verwendung der Gleichungen 11–15 berechnet. An dem Entscheidungsblock 310 ermittelt das System, ob C_H > C_H(sat) ist. Wenn dies zutrifft, schreitet der Prozess für eine Poren-Keimbildung zu Schritt 315 voran. Das Programm erzeugt Speicherplatz für die Daten, die mit den Poren verbunden sind, einschließlich der Porengröße und der Anzahldichte. Bei dem Entscheidungsblock 320 ermittelt das System, ob Poren existieren. Wenn es keine Poren gibt, schreitet der Prozess zu Block 325 voran, bei dem der Metall-Fluiddruck (P) unter Verwendung der Gleichungen 11 und 12 berechnet wird. Der Prozess schreitet zu dem Entscheidungsblock 330 voran, bei dem er ermittelt, ob t > t_end ist. Wenn dies zutrifft, endet der Prozess bei Block 340. Wenn t nicht größer als t_end ist, kehrt der Prozess zu Block 305 zurück, bei dem der Prozess für t = t + Δt wiederholt wird.
Wenn das System bei Block 310 ermittelt, dass C_H nicht größer als C_H(sat) ist, schreitet der Prozess zu Block 325 voran und berechnet P.
Wenn das System bei Block 320 ermittelt, dass Poren existieren, schreitet er zu Block 340 voran, um das Porenwachstum zu ermitteln und die Porengröße unter Verwendung der Gleichungen 16, 17, 18 und 19 zu berechnen. Der Prozess schreitet zu Block 345 voran, bei dem f_p berechnet wird, indem die Summe des Porenvolumens in dem Element durch das Elementvolumen dividiert wird, anschließend schreitet er zu Block 325 voran, um P zu berechnen, wie vorstehend beschrieben ist.
Dieser Schritt kann in dem Gussfehler- und Mikrostruktur-Modellierungsmodul 230 für verwendet werden.
B. Sekundärer Dendritenarmabstand (SDAS)
Der sekundäre Dendritenarmabstand (SDAS) ist eines der Maße, welche die Feinheit der Mikrostrukturen von gegossenen Aluminiumlegierungen widerspiegeln. Der Wert des sekundären Dendritenarmabstands ist mit der lokalen Kühlungsrate des Materials während der Verfestigung direkt verbunden. Der sekundäre Dendritenarmabstand kann unter Verwendung des Ausdrucks geschätzt werden: SDAS = B·R^α (20) wobei R = dT/dt die mittlere Kühlungsrate der primären Aluminiumdendritenzellen während der Verfestigung repräsentiert; und B sowie α die Materialparameter sind. Für die gegossenen Aluminiumlegierungen 356 und 357 betragen die Parameter B und α 39,4 bzw. –0,317. Für die gegossene Aluminiumlegierung 319 werden die Parameter B und α als 39,4 bzw. –0,279 ermittelt.
Dieser Schritt kann in dem Gussfehler- und Mikrostruktur-Modellierungsmodul 230 verwendet werden.
C. Ersetzung der Speiser durch eine Randbedingung
Wenn die Bildung der Mikroporosität modelliert wird, ist die Grenzfläche zwischen dem Gussteil und der Gussform undurchlässig. Die Grenzfläche zwischen dem Gussteil und den Speisern ist durchlässig; flüssiges Metall kann über diese Grenze von den Speisern in das Gussteil strömen, wobei die Strömungsgeschwindigkeit durch Gleichung 11 gegeben ist. In diesem Fall wird nicht nur der Flächeninhalt der Grenzfläche zwischen dem Speiser und dem Gussteil benötigt, sondern auch das tatsächliche Speiservolumen.
Unter Bedingungen, unter denen die Ausgestaltung des Speisers geheim und nicht bekannt ist, können die Speiser wie folgt durch eine Randbedingung ersetzt werden. In diesem Fall wird das tatsächliche Speiservolumen nicht benötigt, es wird jedoch der Flächeninhalt der Grenzfläche zwischen dem Speiser und dem Gussteil benötigt. Die Strömung von dem Speiser in das Gussteil ist gegeben durch:
wobei Po der atmosphärische Druck an der Oberseite des Speisers ist, P_b der Druck an der Grenze ist und H_riser die Höhe des Speisers ist. P_b ist a priori unbekannt; er ist jedoch eine der Feldvariablen, nach denen während der Simulation der Mikroporosität aufgelöst wird, und dadurch wird eine natürliche Randbedingung für die Strömungsrate an der Speisergrenze geschaffen.
Dieser Schritt kann in der Randbedingung 270 für die Anguss/Speisergestaltung und den Speiser von 3 verwendet werden.
Beispiel 1
Verifizierung der Modelle für die Mikrostruktur und die Mikroporosität
Es wurden experimentelle Plattengussteile hergestellt, um die Genauigkeit des integrierten Modells des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung unter zwei Sätzen von Gussbedingungen zu testen. Die Platten waren 5 cm dick, 14,0 cm breit und 26 cm lang. Die Gussteile wurden mit einem herkömmlichen Eingusskanal/einer herkömmlichen Eingussmulde durch die Schwerkraft gegossen, und sie wiesen einen seitlichen Anschnitt in den Hohlraum auf. Eine Sandgussform wurde mit einer Abschreckplatte aus Kupfer an der Unterseite verwendet, um eine gerichtete Verfestigung über einen weiten Bereich von Kühlungsraten zu fördern.
Tabelle I zeigt die Materialeigenschaften für A356-Aluminium, das in der Computersimulation verwendet wurde. Ein Vergleich der Verfestigungszeit (Flüssigkeit in Festkörper) zwischen experimentellen Messungen und einer Computersimulation ist in 7(a) gezeigt. Nach einer Implementierung von zeitabhängigen Wärmeübertragungskoeffizienten, um die Bildung eines Luftspalts zwischen dem Metall und der Gussform widerzuspiegeln, wurde herausgefunden, dass die Computervoraussagen in einer hinreichend guten Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen waren. Der sekundäre Dendritenarmabstand SDAS (7(b)) wird ebenso ziemlich genau für die gesamte Gussplatte vorausgesagt. Tabelle 1. Materialeigenschaftsdaten für die Simulation mit Abschreckplatte
Computervoraussagen für den Volumenanteil der Porosität und die maximalen Porengrößen sind in 8–9 gezeigt. Ein Vergleich zwischen den experimentellen und den Computervoraussagen zeigt, dass das entwickelte integrierte Modell des Porenwachstums mit interdendritischer Strömung einen Gussfehler der Porosität mit hoher Genauigkeit voraussagen kann.
Beispiel 2
Die vorstehend beschriebene entwickelte Simulationsmethodik wurde auf einen Motorblock angewendet. Der Motorblock wurde zusammen mit dem Anguss/Speisersystem simuliert. Wenn der Anguss/Speiser herausgenommen wird und eine normale Randbedingung angewendet wird (unter Verwendung des Verfahrens aus dem Stand der Technik), neigt die vorausgesagte Mikroporosität an vielen Orten des Motorblocks dazu, höher als erwartet zu sein. Die vorausgesagte Mikroporosität in dem Motorblock ohne Anguss/Speiser unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ist den Simulationsergebnissen des Motorblocks mit Anguss/Speisern sehr ähnlich.
10 und 6 zeigen einen direkten Vergleich von 10.000 Datenpunkten, die für den vorstehend erwähnten simulierten Motorblock aufgenommen wurden. 10 vergleicht den sekundären Dendritenarmabstand (SDAS), der für den Motorblock mit oder ohne Anguss/Speisersystem vorausgesagt wird. 6 vergleicht die vorausgesagten Porengrößen für beide Fälle. Man kann erkennen, dass die entwickelte Simulationstechnologie die Mikrostruktur, wie beispielsweise den SDAS und die Gussfehler der Gussteile des Teilezulieferers, mit einer hohen Genauigkeit voraussagen kann, ohne dass die detaillierte Gussteil- und Prozessausgestaltung durch den Teilezulieferer bekannt ist.
Es wird angemerkt, dass, obwohl der Großteil der hierin vorgesehenen Beschreibung für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung spezifisch ist, die sich auf ein System zum Voraussagen von Gussfehlern und der Mikrostruktur in einem Aluminiumgussteil bezieht, dieselbe Beschreibung gleichermaßen konsistent für andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die sich auf Verfahren und Erzeugnisse zum Voraussagen von Gussfehlern und der Mikrostruktur eines Aluminiumgussteils beziehen, wie auch für andere Metalle und Legierungen sowie für maschinell bearbeitete Teile gültig ist.
Es wird ferner angemerkt, dass Ausführungen hierin, dass eine Komponente einer Ausführungsform auf eine spezielle Weise ”ausgebildet” ist oder eine spezielle Eigenschaft verkörpert oder auf eine bestimmte Weise funktioniert, strukturelle Ausführungen im Gegensatz zu Ausführungen der beabsichtigten Verwendung sind. Spezieller bezeichnen hierin die Bezugnahmen auf eine Weise, auf die eine Komponente ”ausgebildet” ist, einen existierenden physikalischen Zustand der Komponente, und sie sollen somit als eine eindeutige Ausführung bezüglich der strukturellen Faktoren der Komponente aufgefasst werden.
Es wird angemerkt, dass Ausdrücke wie ”im Allgemeinen”, ”üblicherweise” und ”typischerweise”, wenn sie hierin verwendet werden, nicht dazu verwendet werden, den Umfang der beanspruchten Ausführungsformen einzuschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale für die Struktur oder die Funktion der beanspruchten Ausführungsformen kritisch, essentiell oder sogar wichtig sind. Stattdessen sollen diese Ausdrücke lediglich spezielle Aspekte einer Ausführungsform identifizieren oder alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform verwendet werden können oder auch nicht.
Zu den Zwecken, Ausführungsformen hierin zu beschreiben und zu definieren, wird angemerkt, dass die Ausdrücke ”im Wesentlichen”, ”erheblich” und ”ungefähr” hierin verwendet werden, um den inhärenten Grad an Ungenauigkeit zu repräsentieren, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder einer anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Die Ausdrücke ”im Wesentlichen”, ”erheblich” und ”ungefähr” werden ebenso hierin verwendet, um den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von der festgestellten Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der Basisfunktion des vorliegenden Gegenstands führt.
Nachdem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben sind, und unter Bezugnahme auf deren spezielle Ausführungsformen ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen möglich sind, ohne von dem Umfang der Ausführungsformen abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Spezieller wird in Erwägung gezogen, obwohl einige Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert werden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte beschränkt sind.
Bezugszeichenliste
Fig. 1

5: Temperaturverteilung während der Verfestigung
10: hydrostatische Druckverteilung nach Füllung der Gussform
15: dT/dt, HTC, Verfestigungszeit
20: P_{Hydrostatisch(x,y,z)}
25: Orientierung des Gussteils während der Verfestigung und Schätzungen des Orts und der Größen von Anguss/Speisern usw.
30: Geometriemodell für Gussteil und/oder maschinell bearbeitetes Teil/Produkt
35: Gusslegierung, Qualität der Schmelze (H₂, usw.), thermodynamische Datenbank
40: Simulationsprogramme für Gussfehler und Mikrostruktur
45: vorausgesagte Größen, Volumenprozente und Verteilungen von Gussfehlern und Mikrostrukturen

100: Start
105: Eingabe des Geometriemodells für Gussteil/maschinell bearbeitetes Teil/Produkt; der Gusslegierung, der Qualität der Schmelze und der thermodynamischen Datenbank
110: Lese Temperaturverteilung basierend auf Zeit während Verfestigung, interpoliere diese und bilde diese ab
115: Datensätze der Temperaturverteilung von Zulieferer
120: Lese hydrostatischen Druck nach Füllung der Gussform und bilde diesen ab
125: Datensätze der Druckverteilung von Zulieferer
130: Ermittle Orientierung des Gussteils
135: Schätze Größe und Ort des Angusses/Speisers
140: Randbedingungen
145: Simulation von Gussfehlern und Mikrostruktur
150: Gebe knotenpunktbasierte Größe und Volumenprozente von Fehlern und Mikrostrukturen aus
155: Ende

100: Start
105: Eingabe des Geometriemodells für Gussteil/maschinell bearbeitetes Teil/Produkt; der Gusslegierung, der Qualität der Schmelze und der thermodynamischen Datenbank
110: Lese Temperaturverteilung basierend auf Zeit während Verfestigung, interpoliere diese und bilde diese ab
115: Datensätze der Temperaturverteilung von Zulieferer
120: Lese hydrostatischen Druck nach Füllung der Gussform und bilde diesen ab
125: Datensätze der Druckverteilung von Zulieferer
133: Ermittle Orientierung des Gussteils, Größe und Ort des Angusses/Speisers
137: Füge Geometrie des Angusses/Speisers zu Gussteilmodell hinzu
139: Inverse Berechnung/Optimierung der HTC
147: Verfestigungssimulation mit Gussfehler- und Mikrostrukturvoraussage
150: Gebe knotenpunktbasierte Größe und Volumenprozente von Fehlern und Mikrostrukturen aus
155: Ende

205: Informationseingabe
210: Informationsausgabe
215: Verarbeitungseinheit
220: Computerlesbares Medium
225: Verfestigungs-Simulationsmodul
230: Gussfehler- und Mikrostruktur-Modellierungsmodul
235: numerische und analytische Lösungseinrichtung
240: Gussteil-Geometriemodell
245: Geometriemodell für Anguss/Speisergestaltung und Speiser
250: Datenbank für temperaturabhängige Materialeigenschaften
255: Daten des hydrostatischen Drucks nach Füllung der Gussform
260: Daten der Temperaturverteilung während Verfestigung
265: HTC-Ermittlung
270: Randbedingung für Anguss/Speisergestaltung und Speiser

300: Start
305: Berechne u, T
310: C_H > C_H(SAT)?
315: Poren-Keimbildung
320: Existieren Poren?
325: Berechne P
330: t > t_end?
340: Ende
345: Porenwachstum; berechne Größe
350: Berechne f_p

Claims

Verfahren zum Voraussagen von Gussfehlern und Mikrostrukturen eines Teils, umfassend, dass: eine Temperaturverteilung während einer Verfestigung, eine hydrostatische Druckverteilung nach Füllung einer Gussform, ein Geometriemodell des Teils, ein Material, eine Qualität einer Schmelze und eine thermodynamische Datenbank bereitgestellt werden; die Gussfehler und die Mikrostruktur des Teils unter Verwendung eines integrierten Modells eines Porenwachstums und einer interdendritischen Strömung simuliert werden; und die Größe, der Volumenprozentanteil und/oder die Verteilung von Gussfehlern und Mikrostrukturen eines Teils vorausgesagt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung die folgenden Gleichungen umfasst:

wobei u der Oberflächen-Geschwindigkeitsvektor ist; K die Permeabilität ist; μ die Viskosität ist; P der Druck ist; ρ_l die Flüssigkeitsdichte ist; ρ_s die Festkörperdichte ist; g der Gravitationsvektor ist; f_p der Poren-Volumenanteil ist; f_l der flüssige Volumenanteil ist; L die latente Wärme der Schmelzmasse ist; ρ die mittlere Dichte ist; C_p die spezifische Wärme ist; λ die thermische Leitfähigkeit ist; C_H0 die anfängliche Wasserstoffkonzentration ist; C_Hs die Konzentration in der festen Phase ist; C_Hl die Konzentration in der flüssigen Phase ist; T die Temperatur ist; und R die allgemeine Gaskonstante ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritschen Strömung die folgenden Gleichungen umfasst: [C_Hs] = K_sP_g ^½ (16) [C_Hl] = K_lP_g ^½ (17) wobei C_Hs die Konzentration in der festen Phase ist; C_Hl die Konzentration in der flüssigen Phase ist; K_s der Festkörper-Gleichgewichtskoeffizient ist; K_l der Flüssigkeits-Gleichgewichtskoeffizient ist; und P_g der Druck des Wasserstoffgases in den Poren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung die folgende Gleichung umfasst:
wobei P_g der Druck des Wasserstoffgases in den Poren ist; P_atm der atmosphärische Druck ist; P_metal der Druck der flüssigen Metallhöhe ist; σ_LG die Oberflächenspannung der Legierung ist; und R_cur der minimale Krümmungsradius der Pore ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung die folgende Gleichung umfasst:
wobei ρ die mittlere Dichte ist; C_H die Wasserkonzentration ist; D_H der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff ist; S_H der Wasserstoff ist, der während der Verfestigung in die flüssige Phase zurückgeschickt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das integrierte Modell des Porenwachtums und der interdendritischen Strömung die folgende Gleichung umfasst: SDAS = B·R^α (20) wobei R = dT/dt die mittlere Kühlungsrate der primären Aluminium-Dendritenzellen während der Verfestigung ist; und B sowie α die Materialparameter sind.
Verfahren nach 1, wobei das integrierte Modell des Porenwachstums und der interdendritischen Strömung die folgende Gleichung umfasst:
wobei u der Oberflächen-Geschwindigkeitsvektor ist; K die Permeabilität ist; μ die Viskosität ist; ρ_l die Flüssigkeitsdichte ist; g der Gravitationsvektor ist; Po der atmosphärische Druck an der Oberseite des Speisers ist; P_b der Druck an der Grenze ist; und H_riser die Höhe des Speisers ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine Verfestigung des Gussteils simuliert wird, wobei das Simulieren der Verfestigung des Gussteils umfasst, dass: der Wärmeübertragungskoeffizient des Gussteils berechnet wird; der berechnete Wärmeübertragungskoeffizient des Gussteils mit der Temperaturverteilung während der Verfestigung verglichen wird; und die Differenz zwischen den berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten und der Temperaturverteilung während der Verfestigung minimiert wird.