DE102012203436B4

DE102012203436B4 - Systeme und Verfahren zur rechnergestützten Entwicklung herstellbarer und langlebiger Gusskomponenten

Info

Publication number: DE102012203436B4
Application number: DE102012203436.6A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Peggy E. Jones; Yucong Wang; Dale A. Gerard
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: CN102768700A; DE102012203436A1; US8655476B2; US20120232685A1; CN102768700B

Abstract

Verfahren zur rechnergestützten Simulation eines Gießverfahrens für eine auf einer Leichtmetalllegierung beruhenden Komponente, wobei das Verfahren umfasst, dass:ein Computer (500) so konfiguriert wird, dass er eine Dateneingabe (520), eine Datenausgabe (530), eine Verarbeitungseinheit (510), eine Speichereinheit (540) und einen Kommunikationspfad zur Kooperation zwischen der Dateneingabe (520), der Datenausgabe (530), der Verarbeitungseinheit (510) und der Speichereinheit (540) umfasst; undder Computer (500) mit mehreren Berechnungsmodulen (100, 200, 300, 400) betrieben wird, die programmtechnisch mit der Speichereinheit (540) und/oder der Verarbeitungseinheit (510) derart zusammenarbeiten, dass der Computer (500) beim Empfang von Daten, welche die Komponente betreffen, die Daten den mehreren Berechnungsmodulen (100, 200, 300, 400) derart unterzieht, dass eine Ausgabe aus diesen Verhaltensindizien des Gießverfahrens bereitstellt, wobei die mehreren Berechnungsmodule (100, 200, 300, 400) umfassen:ein Gussteilkonstruktionsmodul (100), das ausgestaltet ist, um eine optimierte geometrische Darstellung der Komponente bereitzustellen;ein Prozessoptimierungsmodul (200), das ausgestaltet ist, um ein Gießverfahren, eine Wärmebehandlung (200-2) und/oder eine maschinelle Bearbeitung (200-3) der endgültigen Gussteilkonstruktion zu bestimmen;ein Modul (300) zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben, das ausgestaltet ist, um Daten von dem Gussteilkonstruktionsmodul (100) und dem Prozessoptimierungsmodul (200) als Eingaben für sich zu empfangen, um als Ausgabe Materialcharakteristika, Schätzwerte für die Grundgesamtheit von Defekten für mehrere Defektarten und eine Mikrostrukturarchitektur über mehrere Größenmaßstäbe hinweg zu erzeugen; undein Strukturverhaltensmodul (400), das ausgestaltet ist, um die Ausgabe der Materialcharakteristika, der Schätzwerte für die Grundgesamtheit von Defekten und der Mikrostrukturarchitektur zusammen mit Lastbedingungen, einer vorhergesagten Restspannung und Verzerrung und einer Haltbarkeitstestsimulation zu empfangen, um die Verhaltensindizien zu erzeugen;wobei die mehreren Größenmaßstäbe einen großen Maßstab, der sich von etwa zehn Millimeter bis zu etwa einem Meter erstreckt, einen mittleren Maßstab, der sich von etwa einem Mikrometer bis zu etwa zehn Millimeter erstreckt und einen kleinen Maßstab, der sich von etwa einem zehntel eines Nanometers bis zu etwa einem Mikrometer erstreckt, umfassen;wobei eine Datenbank von Eigenschaftswerten, die in dem kleinen Maßstab erzeugt wurden, auf nicht einheitlichen Eigenschaften beruht, die auf mindestens einen der größeren Maßstäbe derart extrapoliert wurden, dass Beziehungen, die zwischen Mikrostrukturcharakteristika in mehreren Maßstäben und lokalen nicht einheitlichen Eigenschaften und Erstarrungsbedingungen erzeugt wurden, verwendet werden können, ohne eine Simulation im kleinen Maßstab für im Wesentlichen die gesamte Komponente laufen zu lassen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 61/450,912 , die am 9. März 2011 eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren, Systeme und Technologien, die eine Prozess- und Produktkonstruktion mit Rechnerunterstützung integrieren, um das Erzeugen zuverlässiger Gusskomponenten mit hoher Qualität zu unterstützen, und sie betrifft insbesondere das Arbeiten über verschiedene Größenmaßstäbe hinweg als einen Weg, Gusskomponenten in einer Weise genau zu modellieren, die sowohl physikalisch genau als rechentechnisch effizient ist.
Viele Anwendungen mit kritischen Strukturen setzen Gusskomponenten oder -produkte ein. Dies trifft besonders für Kraftfahrzeugsysteme und ähnliche Transportsysteme zu, bei denen Kraftmaschinen, Getriebe, Aufhängungs- bzw. Federungssysteme, lasttragende Primärstrukturen, Sitz bzw. Lagerkomponenten, interne Stützstrukturen oder dergleichen jeweils von der kostengünstigen Herstellung in Verbindung mit dem Gießen profitiert haben. Gießprozesse sind oft das kostengünstigste Verfahren zur Erzeugung geometrisch komplexer Komponenten und bieten im Vergleich mit anderen Fertigungsprozessen die Möglichkeit zur direkten Herstellung der Endform oder einer endformnahen Herstellung. Derartige Gießprozesse sind besonders vorteilhaft, wenn sie in Verbindung mit Leichtbaumaterialien verwendet werden, etwa auf Aluminium basierenden, auf Magnesium basierenden oder ähnlichen Legierungen, bei denen hohe Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht, gute Korrosionsbeständigkeit und relativ geringe Rohmaterialkosten nützliche Merkmale sind.
Die relativ neue Verwendung von Computern und ihrer Fähigkeit zur Bereitstellung einer automatisierten Steuerung hat zu sogar noch effizienteren Gießprozessen und ähnlichen Fertigungsprozessen geführt. Ähnliche Fortschritte bei computergestützten Werkzeugen haben Verbesserungen bei der Komponentenkonstruktion ermöglicht. Derartige durch Computer implementierte Mittel sind einzeln als computerunterstützte Fertigung (CAM) für die Verarbeitung und als computerunterstützte Konstruktion (CAD) für Komponenten bekannt, während sie gemeinsam als Teil der breiten Verwendung von Computersoftware bekannt sind, die als computergestützte Entwicklung (CAE) bekannt ist, welche außerdem die computergestützte Analyse (CAA), die computerintegrierte Fertigung (CIM), die computerunterstützte Fertigung (CAM), die Materialbedarfsplanung (MRP), die computerunterstützte Planung (CAP) oder dergleichen umfassen kann. Allgemein greift CAE die Konstruktion von Grundprinzipien aus CAD auf und wendet detailliertere Entwicklungsprinzipien auf die beabsichtigte Betriebsumgebung an. Traditionell wurden Aktivitäten zur Komponentenkonstruktion und zur Prozessmodellierung relativ unabhängig voneinander ausgeführt, wobei die Arbeit der Prozessmodellierung größtenteils erst stattfindet, nachdem der Komponentenkonstruktionsprozess im Wesentlichen abgeschlossen ist. Diese Unabhängigkeit führt häufig zu langen Zyklen bei der Gussteilentwicklung sowie einer nicht optimalen Gussteilqualität, Zuverlässigkeit oder anderen Indizien der Komponentenintegrität.
Eine zusätzliche Komplexität entsteht, wenn andere Überlegungen wie etwa die Auswirkung von Gussteilfehlern und zugehörigen Eigenschaften im kleinen Maßstab sowie deren Einfluss auf das Produktverhalten in den Produkt- und Prozess-Entwicklungszyklus aufgenommen werden.
Eine noch neuere Disziplin, die als computerintegrierte Materialentwicklung (ICME) bekannt ist, konzentriert sich auf die Verwendung computerbasierter Werkzeuge, um die Entwicklung von Gusskomponenten zu verbessern, indem sie Prozesse und Strukturen mit ihren entsprechenden Eigenschaften koppelt, um das Komponentenverhalten rechnergestützt zu simulieren, bevor irgendwelche tatsächlichen herstellungsbezogenen Aktivitäten unternommen werden. Trotz der mit ICME verbundenen Vorteile müssen immer noch vereinfachende Anfangsannahmen hinsichtlich der Gussteilkonstruktion, der Prozessmodellierung und -Optimierung sowie der Vorhersage von Defekten, Mikrostrukturen und Produktverhalten gemacht werden. Viele dieser Annahmen (beispielsweise die Einheitlichkeit der Kristallstruktur, Phaseneigenschaften, Ablagerungen oder dergleichen) beruhen auf der inhärenten Erfahrung von Komponentenkonstrukteuren oder Fertigungstechnikentwicklern, Versuch- und -Irrtums-Iterationen und anderen Ad-hoc-Ansätzen, bei denen der Schwerpunkt stattdessen auf der Fehlerbehebung bei Prototypen und Gießereiversuchen liegt, die erst stattfindet, nachdem bestimmte Eingabeparameter (beispielsweise Legierungen, Gießverfahren, Systemmerkmale des Gussteils und des Angusses oder dergleichen) gewählt oder konstruiert wurden.
Das Vernachlässigen der Auswirkung von Variationen, die in den kleineren Maßstäben von Leichtmetalllegierungs-Gussteilen auftreten, manifestiert sich in Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Eigenschaften von Bestandteilen in größerem Maßstab. Auf ähnliche Weise wäre ein Versuch, der sich nur mit Variationen im kleinen Maßstab beschäftigt, für die Modellierung größerer Strukturen (etwa diejenigen, die bei Kraftfahrzeuganwendungen mit einem gesamten Kraftmaschinenblock verbunden sind) nicht geeignet, da die Maßstäbe, die für die Bereichsuntersuchung in kleinerem Maßstab geeignet sind (d.h. Mikrometer oder Nanometer), ein auf nicht durchführbare Weise unhandliches Unterfangen wären, wenn sie auf die gesamte Komponente oder eine ähnliche Untersuchung in einem größeren Maßstab angewendet werden.
Auf ähnliche Weise würde ein Missachten oder nicht korrektes Charakterisieren der Auswirkungen von Bedingungen wie etwa Mikroporosität, Defektbildung oder Eigenspannung auf die Ermüdungslebensdauer (speziell über mehrere Maßstabgrößen hinweg) eine genaue Charakterisierung des Komponentenverhaltens erschweren. Beispielsweise kann die Mikroporosität (welche tendenziell der häufigste Gussteildefekt ist) ein signifikantes Problem bei der Gussteilkonstruktion sein, wenn vereinfachte Verfahren verwendet werden, welche die größte so genannte Mikropore auf der Grundlage der lokalen Erstarrungszeit schätzen. Die Erstarrung des Metalls findet oft in der Form von Dendriten (die kleinen Pinienbäumen im dreidimensionalen Raum ähneln) statt. Der Abstand zwischen den Dendriten ist eine Funktion der lokalen Erstarrungszeit und die Größe der größten Mikropore kann als grob proportional zum Dendritenabstand geschätzt werden, oft mit einem Faktor von zwei oder drei. Ein derartiger empirischer Ansatz kann im Mittelwert vernünftige Schätzwerte liefern, aber da die Mikroporosität oftmals über mehrere Dendriten oder sogar Dendritenfasern hinweg verbunden ist, liefert dieses Verfahren keine sehr guten Schätzwerte des Werkstückverhaltens. Obwohl es möglich ist, einen statistischen Schätzwert der größten Mikropore (beispielsweise einen Schätzwert mit größter Wahrscheinlichkeit oder dergleichen) aus den empirischen Schätzwerten der mittleren Porengröße zu erstellen, sind derartige Ansätze nicht so genau wie sie sein können. Auch bei Systemen, die einen vernünftigen Schätzwert aus Faktoren wie diesen erstellen, wäre es vorteilhaft, Defekte in einem weiteren Maßstab zu analysieren, um ein physikalisch korrekteres Modell der Defektbildungsprozesse, die während des Gießen auftreten, zu schaffen, und wie diese Defekte und das Metall, das diese umgibt, auf die Betriebsbedingungen ansprechen. Obwohl verschiedene Arten von Modellierungstechniken für die Mikroporosität (wie etwa Kriterienfunktionen, interdendritische Strömungsmodelle, Porenwachstumsmodelle und Zellularautomaten (CA)) eingesetzt wurden, um Aspekte der Gussteilphänomene teilweise zu erklären, hat sich keine als adäquat herausgestellt, um eine Gusskomponente in ihrer gesamten Komplexität vollständig zu modellieren.
Beispielsweise sind Kriterienfunktionen empirische Regeln, die lokale Erstarrungsbedingungen (Abkühlungsgeschwindigkeit, Erstarrungsgeschwindigkeit, thermische Gradienten oder dergleichen) verwenden, um die Ausbildung von Mikroporosität vorherzusagen. Obwohl diese Modelle einfach zu verwenden sind, sind sie nicht unter einem vollständigen Bereich von Betriebsbedingungen (Drücke und Geometrie) anwendbar, und ihr Gültigkeitsbereich ist daher begrenzt, speziell in Bezug auf die Vorhersagegenauigkeit des Modells. Interdendritische Strömungsmodelle, welche den gegenwärtigen Stand der Technik bei kommerzieller Prozessmodellierungssoftware mit finiten Elementen/finiten Differenzen bilden, modellieren den Schwund bei der Erstarrung der Zufuhr einer flüssigen Strömung als ein durchströmtes poröses Medium (salopp als die Breizone bzw. mushy zone bezeichnet). Die Aufteilung von Wasserstoffgas auf flüssige und feste Phasen wird modelliert, wobei die Ausbildung von Wasserstoffporen zwischen Dendriten ebenfalls vorhergesagt wird. Bei interdendritischen Strömungsmodellen werden Poren gewöhnlich als sphärisch bzw. kugelförmig mit einer variablen Größe angenommen, die proportional zu einem Mikrostrukturmerkmal ist, etwa dem sekundären Dendritarmabstand (SDAS). Die experimentell aufgezeichnete Porenwachstumskinetik stimmt jedoch nicht mit derjenigen überein, die von interdendritischen Strömungsmodellen vorhergesagt wird, weil das Porenwachstum durch die Rate, mit welcher Wasserstoff in die Poren diffundieren kann, gesteuert wird, ein Schlüsselfaktor, der in den interdendritischen Strömungsmodellen nicht enthalten ist. Obwohl die interdendritischen Strömungsmodelle folglich allgemeiner anwendbar sind als die Kriterienfunktionen, tun sie sich schwer, die Porengröße genau vorherzusagen. Porenwachstumsmodelle wurden geschaffen, um die prinzipielle Schwäche von interdendritischen Strömungsmodellen anzusprechen, indem die Porengröße während der Erstarrung genauer vorhergesagt wird. Bei dem Porenwachstumsmodell nach dem Stand der Technik berechnet das thermische Modell für das Porenwachstum während der Erstarrung keinen Druck; folglich wird die Porosität (Durchmesser und Volumenanteil) konsistent zu niedrig vorhergesagt, weil die Effekte der Volumenveränderungen auf den Druck, wenn Metall erstarrt, nicht in Betracht gezogen werden. Die CA-Technik für die Vorhersage von Mikrostrukturen und Porengrößen muss, obwohl sie gegenwärtig im akademischen Bereich einige Aufmerksamkeit erfährt, erst noch in einer industriellen/kommerziellen Umgebung verwendet werden. Bei einem derartigen Ansatz wird die Ausbildung einzelner Körner bzw. Fasern und Dendriten mit Wachstumsraten, die entweder analytisch vorgeschrieben oder aus Lösungskonzentrationsgleichgewichten vorhergesagt sind, stochastisch modelliert. Das Porenwachstum kann im CA-Verfahren außerdem über eine Diffusionsgleichung für Wasserstoff modelliert werden. Obwohl die Ergebnisse aus CA viel versprechend sind, benötigen sie eine extrem feine Maschengröße. Dort, wo interdendritische Strömungsmodelle Maschendimensionen von 1 bis 10 mm verwenden können, benötigt CA Maschendimensionen von 1 bis 70 µm - drei Größenordnungen kleiner. Als Folge wird CA allgemein auf Gussteil-Teilmodelle unter Verwendung von Temperaturverläufen angewendet, die aus einem Makromodell mit gröberen Maschen vorhergesagt werden.
Folglich haben vorherige Versuche zum Modellieren von Aluminiumgussteilen über mehrere Maßstäbe hinweg den Vorteil eines integrierten Ansatzes nicht vollständig genutzt, speziell hinsichtlich der Mikroporosität (ohne vereinfachende Annahmen treffen zu müssen), der Optimierung der Gussteilgeometrie und der Anguss/Steigleitungskonstruktion, der Behandlung größerer Defekte (etwa Oxidfilme, Kerngas, eingeleitetes Gas, eutektische Phasen (einschließlich deren Auswirkung auf Ermüdungsberechnungen)), sowie der Frage, wie Ermüdungseigenschaften geschätzt werden sollen, wenn an einer speziellen Stelle keine Gussteileffekte vorhanden sind.
Die Druckschrift US 2006 / 0 282 186 A1 offenbart eine Optimierung eines Produktionsprozesses für Gußprodukte im Hinblick auf vorgegebene Kriterien, sowie eine Vorhersage der Ergebnisse des optimierten Produktionsprozesses.
In der Druckschrift US 2010 / 0 235 110 A1 sind Systeme und Verfahren zur Vorhersage der Lebensdauer von Aluminiumlegierungen bei mehrachsiger Belastung aufgrund von Materialermüdung offenbart, wobei Modelle zur Lebensdauer bei Materialermüdung bei zyklischer Belastung auf mehreren Achsen herangezogen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf das vorstehende und andere Probleme ist es eine Aufgabe der Offenbarung, Verfahren, Systeme und Technologien bereitzustellen, um die Konstruktion und Produktion von Gusskomponenten mit hoher Qualität und zuverlässiger Strukturen zu unterstützen, welche verschiedene Disziplinen mit Bezug auf Gussteilkonstruktionen, Prozessmodellierung und -optimierung, Materialmikrostruktur und Defekte und Produktverhalten auf eine Weise berücksichtigen, dass fehlererzeugende Vereinfachungen und Annahmen zugunsten von wissensbasierten Verfahren gemieden werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur computergestützten Simulation eines Gießverfahrens für eine auf einem Leichtmetall basierende (beispielsweise auf einer Aluminiumlegierung basierende) Komponente, dass ein Computer mit zahlreichen Berechnungsmodulen derart betrieben wird, dass der Computer auf den Empfang von Daten, welche die Komponente betreffen, die Daten den verschiedenen Berechnungsmodulen unterzieht. Ausgabedaten oder ähnliche Informationen stellen Indizien dafür bereit, wie gut das betrachtete Gießverfahren erwartungsgemäß arbeiten wird, wodurch einem Komponentenkonstrukteur oder einem Prozessentwickler ein Vertrauensmaß dafür gegeben wird, dass die vorgeschlagene Konstruktion und der vorgeschlagene Prozess zuverlässig und effizient gefertigt werden können. Diese Ausgabedaten können quantifizierbare Metriken in der Form von Verhaltensindizien mit Bezug auf tatsächliche Betriebsumgebungen der Komponente derart umfassen, dass die Ausgabedaten analysiert werden können, um festzustellen, ob sie mit einer optimalen Produkt- und Fertigungsprozesskonstruktion übereinstimmen. Im vorliegenden Kontext sind Verhaltensindizien das, was einem simulierten Gießverfahren entspricht, das so betrachtet wird, dass es die Konstruktions- und Fertigungskriterien der Komponente erfüllt, die durch die verschiedenen Module des hier offenbarten virtuellen Gussteilsystems modelliert wird. Wie aus der vorliegenden Offenbarung offensichtlich wird, können die von jedem der verschiedenen Module erzeugten Verhaltensindizien in Abhängigkeit davon, ob derartige Verhaltensindizien einen benutzerdefinierten Zustand von Eigenschaften für die tatsächliche Komponente oder andere derartige unabhängige Kriterien erfüllen oder nicht, einen optimalen Prozess bilden oder nicht.
Der Computer enthält die Merkmale, die zur Ausführung des vorliegenden Verfahrens benötigt werden; derartige Merkmale umfassen eine Dateneingabe, eine Datenausgabe, eine Verarbeitungseinheit, eine Speichereinheit und einen Kommunikationspfad, der ausgestaltet ist, um eine Kooperation zwischen diesen Komponenten zu schaffen, um zu ermöglichen, dass der Computer auf eine Weise funktioniert, die dem Fachmann bekannt ist. In einer Form kann der Kommunikationspfad ein Datenbus oder ein ähnlicher Satz von Leitungen und zugehörigen Schaltungen sein, der die Eingabe, die Ausgabe, die CPU und den Speicher sowie beliebige Peripheriegeräte verbindet, die derart angeordnet sind, dass sie es dem System erlauben, als eine integrierte Einheit zu arbeiten. Folglich kann der Kommunikationspfad als Teil eines Controllers, der zur Koordination von Computeraktivitäten verwendet wird, ausgebildet sein (oder damit zusammenarbeiten). Auf ähnliche Weise kann der Controller als Teil der Verarbeitungseinheit ausgebildet sein oder er kann eine separate Komponente sein; beide Varianten werden vom Fachmann gut verstanden. Die Speichereinheit enthält einen Datenspeicher und/oder einen Anweisungsspeicher.
Die verschiedenen Berechnungsmodule umfassen ein Gussteilkonstruktionsmodul, ein Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul, ein Modul zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen und ein Strukturverhaltensmodul; diese Module kooperieren miteinander, um den Gegenstand, der eine vorgeschlagene Gusskomponente darstellt, in ein anderes Endprodukt umzusetzen. Das Gussteilkonstruktionsmodul stellt eine geometrische Darstellung einer optimalen Gussteilkomponente auf der Grundlage von Eingabedaten von Anfangsanforderungen an die Produktgeometrie und Produkteigenschaften der Komponente, die analysiert wird, bereit. Im Gussteilkonstruktionsmodul dient die endgültige Geometrie des Werkstücks als Startpunkt für die Gussteilkonstruktion. Darstellungen von Materialhinzufügungen an gewählten Stellen sind enthalten, um verbesserte Abmessungstoleranzen zu erreichen. Auf ähnliche Weise werden Überlegungen zur Konstruktion des Gussteilströmungspfads (hier auch als Rüsten bezeichnet) und Befestigungsschemata bereitgestellt, um eine Zufuhr des flüssigen Metalls zur Fertigung des Werkstücks zu ermöglichen. Dieses Rüsten umfasst Gussbecher, Eingusstrichter, Angusskanäle und Steigleitungen; alle diese spielen wichtige Rollen bei der Qualität und der Wirtschaftlichkeit eines Gussprodukts. Das Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul bestimmt ein Gießverfahren, eine Wärmebehandlung und/oder eine maschinelle Bearbeitung der endgültigen Gussteilkonstruktion, die das Gussteilkonstruktionsmodul liefert. Sowohl das Gussteilkonstruktionsmodul als auch das Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul können eine Wissensbasis in Verbindung mit einer geometrischen Analysevorrichtung und einer Folgerungsmaschine verwenden, sodass optimale Werte in Verbindung mit dem jeweiligen Modell durch ein Expertensystem iterativ erzeugt werden. Der Computer kann so ausgestaltet sein, dass er einen Teil des Expertensystems bildet, wobei einer der Vorteile davon darin besteht, dass keine zusätzliche Erfahrungsbasis, Intuition oder erlernte Konstruktionspraxis in das System eingegeben werden muss, sobald die Daten, die für ein spezielles Gussteilprojekt besonders sind, definiert worden sind, da ein Satz von Voraussetzungen (auf der Grundlage von Gussteilkonstruktionsspezifikationen und deren entsprechenden Indexen) von der Folgerungsmaschine modifiziert wird, ohne Rückgriff auf subjektive Eingaben oder subjektives Wissen.
Das Modul zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen empfängt als Eingabe die endgültige Gussteilkonstruktion und die optimalen Fertigungsprozeduren des jeweiligen Gussteilkonstruktionsmoduls und des Prozessmodellierungs- und Optimierungsmoduls und erzeugt als Ausgabe eine Morphologie und Verteilungen von vorhergesagten Mikrostrukturbestandteilen. Diese Mikrostrukturvorhersagen können Unstetigkeiten, Dendriten, Phasen in mehreren Maßstäben, eutektische Partikel und Ablagerungen enthalten. Zusätzlich zur Mikroporosität können Unstetigkeitsvoraussagen von diesem Modul Kerngase, Oxide, Bifilme (doppelte Oxidfilme), Falten und Spritzer sowie Einschlüsse, eingeschlossenes Gas, Kerngas, eine mitgerissene vorgeformte Metallschicht (d.h. ausgebildet in einer Metallgießkammer), Makroporosität und Mikroporosität enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese Unstetigkeitsvorhersagen können auf jeden der offenbarten Aspekte angewendet werden. Beispiele dafür, wie diese Merkmale modelliert werden können, finden sich in der ebenfalls anhängigen Anmeldung 12/653,606, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen ist. Optional kann ein Testgussteil mit gut kontrollierten Erstarrungsbedingungen verwendet werden, um das Modul zur Sicherstellung der Genauigkeit über zahlreiche Maßstäbe hinweg zu kalibrieren, wobei die kleinsten von diesen die Kristallstruktur, Phaseneigenschaften und Ablagerungen charakterisieren. Derartige Werte können verwendet werden, um lokale Eigenschaften in sehr kleinem Maßstab zu bestimmen und zu extrapolieren, um die Porengröße, die Faser/Dendrit-Morphologie und die eutektische Partikelstruktur sowie Gussteildefekte, Fasern und den Dendritarmabstand (DAS) für eine gesamte Gusskomponente bei dem großen Maßstab zu analysieren. Unhandliche Berechnungszeiten werden auf einem lenkbaren Niveau gehalten, indem der Temperaturverlauf an einer beliebigen gegebenen Stelle im vorgeschlagenen Komponentengussteil mit dem Temperaturverlauf eines Testgussteils abgeglichen wird, dann die Zusammensetzungsunterschiede zwischen dem vorgeschlagenen Komponentengussteil und dem Testgussteil durch Verwendung thermodynamischer Modelle zur Vorhersage von Phase berücksichtigt werden, und schließlich die erwartete Mikrostruktur auf das neue Werkstück abgebildet wird, ohne alle Berechnungen im Nanomaßstab erneut ablaufen zu lassen.
Sobald eine gesamte Komponente auf ihre Defekte, Faserstruktur und Phasen in mehreren Maßstäben analysiert wurde, können strukturelle Attribute der Komponente, welche einen Zugspannungsbruch, eine Dauerfestigkeit und eine Ermüdungslebensdauer in mehreren Maßstäben umfasst, beurteilt werden, um das Verhalten der Komponente vorherzusagen. Das Strukturverhaltensmodul unterzieht die vorhergesagten Mikrostrukturen und Defekte in mehreren Maßstäben einer Funktions- oder Haltbarkeitstestsimulation unter Berücksichtigung der vorhergesagten Eigenspannung und Verzerrung, um eine Verhaltensvorhersage zu erzeugen, die eine Fehlerwahrscheinlichkeitszuordnung und eine Fehlermodus- und Ortsvorhersage enthalten kann. Vorhersagen des Verhaltens einer einzelnen Komponente können extrapoliert werden, um die Zuverlässigkeit vieler derartiger Komponenten vorherzusagen, wodurch (beispielsweise) Garantiefallvorhersagen für eine gegebene Anwendung verbessert werden. Zusätzliche Informationen über die Vorhersage der Ermüdungslebensdauer finden sich im US-Patent 7,623,973 sowie in den ebenfalls anhängigen Anmeldungen 12/182,314 und 12/402,538, die alle dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehören und hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen sind. Die Aufnahme mehrerer Parameter, wie etwa die Reißfestigkeit, die Dehnbarkeit, das Entstehen und das Wachstum von Kriechdehnungs- und Ermüdungsrissen aus der physikalisch korrekten Vielfalt potentieller Rissentstehungsorte und Risspfade in der Mikrostruktur, bieten eine signifikante Erhöhung der Genauigkeit relativ zu Berechnungen, die nur die Streckgrenze, die thermische Ausdehnung und das Wachstum von Ermüdungsrissen bei der Mikroporosität berücksichtigen. Auf ähnliche Weise umfasst die Verhaltensvorhersagenausgabe des Strukturverhaltensmoduls eine Fehlerwahrscheinlichkeitszuordnung und eine Vorhersage des Fehlermodus und des Fehlerorts. Im vorliegenden Kontext sind verschiedene Fehlermodi möglich. Bei einem Zugspannungsbruch beispielsweise kann das Werkstück plötzlich brechen, während das Werkstück bei einer Kriechdehnung im Lauf der Zeit langsam seine Form verändern kann, wohingegen bei einem Ermüdungsfehler Risse im Lauf der Zeit wachsen werden, bis der Riss groß genug wird, sodass das Werkstück die Last, für die es konstruiert worden war, nicht länger aushalten kann. Der Modus gibt an, welcher Prozess an einem gegebenen Ort zuerst einen Funktionsverlust verursachen wird. Diese Kenntnis des Modus ist nützlich bei der Analyse von Fehlern auf Weisen, die zuvor nicht in Betracht gezogen wurden, indem durch Berücksichtigung von Defekten in einem größeren Maßstab (etwa Kerngas und Spritzer) Verfahren, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, Indizien von Zugspannungsbrüchen bereitstellen können, die nicht von Verfahren vorhergesagt worden wären, die nur die Anwesenheit kleinerer Defekte berücksichtigen, welche verursachen, dass sich kleine Risse im Lauf der Zeit entwickeln. Auf ähnliche Weise ist die Kenntnis der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines speziellen Fehlermodus wichtig, da einige Fehlermodi, obwohl sie schädlich sind, derart selten auftreten können, dass der Versuch sie zu verhindern im Allgemeinen unnötig ist. Entscheidungen darüber, ob derartige Fehlermodi untersucht werden sollen, können ferner auf zusätzlichen Kriterien beruhen, etwa ob das Beseitigen eines seltenen Fehlermodus einen konkurrierenden oder gängigeren Fehlermodus beschleunigen kann. Durch die Berücksichtigung einer lokalen Unstetigkeit und Variationen bei der Mikrostruktur können die Eigenschaften und die Fehlerwahrscheinlichkeit des Materials für eine Vielfalt von Fehlermodi von Knoten zu Knoten über die gesamte Gussteilkomponente hinweg berechnet und/oder zugeordnet werden.
In einer Form umfasst die modellierte Leichtlegierungskomponente (etwa eine auf Aluminium oder Magnesium basierende Legierung) Kraftfahrzeugkomponenten. Insbesondere können derartige Kraftfahrzeugkomponenten Kraftmaschinenblöcke, Zylinderköpfe, Getriebegehäuse, Ölwannen, Stoßdämpferbrücken, Federungsteile, Längslenker, Vorderradträger, Fahrzeugfronten, Türrahmen, Räder, Sitz- bzw. Lagerteile, Armaturenbretter und Innenstrukturen umfassen. In einem derartigen Fall umfasst das Gussteilkonstruktionsmodul ferner, dass eine geometrische Darstellung mindestens eines speziellen Teils des Blocks oder Kopfes, etwa das Anguss/Steigleitungssystem, optimiert wird. Bei einer anderen Option kann das Verfahren durch Vergleichen der Verhaltensindizien mit vorbestimmten Kriterien (etwa in einem Entscheidungsbaum oder einem ähnlichen Logiktest) den Prozess durchlaufen oder nicht; in dem Fall, bei dem die vorbestimmten Kriterien erfüllt sind, wird das simulierte Gießverfahren zu einem optimierten Prozess bestimmt, wohingegen in dem Fall, bei dem die vorbestimmten Kriterien nicht erfüllt sind, den Berechnungsmodulen eine Neukonstruktion der Produktgeometrie vorgelegt wird, um aktualisierte Verhaltensindizien zu erzeugen. Dieser Prozess kann so oft wie nötig wiederholt werden, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der optimierte Prozess erreicht ist.
Bei noch einer weiteren Option stellt das Modul zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben quantitative Indizien des Dendritenarmabstands und/oder des Volumenanteils der Größen von zweiten Phasen der Mikrostrukturarchitektur bereit. Insbesondere umfasst die Mikrostrukturarchitektur primäre Dendrite, eutektische Partikel und/oder eine eutektische Matrix. Darüber hinaus kann das Modul zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben betrieben werden, um die Bildung von Ablagerungen zu simulieren, und es analysiert den Volumenanteil und die Größenverteilung von Ablagerungen im Nanomaßstab bei primären Dendriten und/oder einer eutektischen Matrix.
Erfindungsgemäß wird veranlasst, dass die verschiedenen Größenmaßstäbe mit demjenigen der Komponente, die modelliert wird, übereinstimmen. Beispielsweise kann sich ein großer Maßstab (bei Kraftfahrzeuganwendungen) von etwa zehn Millimeter bis zu etwa einem Meter erstrecken, während sich ein mittlerer Maßstab von etwa einem Mikrometer bis zu etwa zehn Millimeter erstreckt und sich ein kleiner Maßstab von etwa einem Zehntel eines Nanometers bis zu etwa einem Mikrometer erstreckt. Eine Datenbank mit Eigenschaftswerten, die mit dem kleinsten der Maßstäbe erzeugt wurden, beruht auf nicht einheitlichen Eigenschaften, die auf mindestens einen der größeren Maßstäbe extrapoliert wurden, sodass Beziehungen, die zwischen Charakteristika einer Mikrostruktur in mehreren Maßstäben und lokalen nicht einheitlichen Eigenschaften und Erstarrungsbedingungen erzeugt wurden, verwendet werden können, ohne eine Simulation im kleinen Maßstab für im Wesentlichen die gesamte Komponente laufen zu lassen. Besonders bevorzugt werden die Mikrostrukturcharakteristika der verschiedenen Größenmaßstäbe vom Strukturverhaltensmodul verwendet, um lokale mechanische Eigenschaften vorherzusagen.
Bei einer anderen Option analysiert das Strukturverhaltensmodul die Komponente als einen Verbund aus eutektischen Versteifungspartikeln, eutektischen Matrixmaterialien und einem Dendritmatrixmaterial. Auf diese Weise beruht die Strukturantwort des Verbunds auf einer Integration der vorhergesagten Werte der Struktureigenschaften dieser individuellen Mikrostrukturbestandteile. Insbesondere analysiert das Strukturverhaltensmodul die Festigkeiten des dendritischen Matrixmaterials und des eutektischen Matrixmaterials auf der Grundlage vorhergesagter Ablagerungen im Nanomaßstab, die ein Teil der Mikrostrukturarchitektur über zahlreiche Größenmaßstäbe hinweg sind, sowie der Festigkeiten der eutektischen Partikel und der Schnittstellen zwischen den eutektischen Partikeln und der Matrix. Diese Schnittstellen sind insofern wertvoll, als Zugspannungsbruchmodi das Brechen der Versteifungspartikel oder deren Trennung von der eutektischen Matrix umfassen, wenn die Schnittstellenfestigkeit zu gering ist. Die Ermüdungsfehlermodi hängen auch von der Festigkeit der Schnittstellen im Vergleich zu der Festigkeit der Bestandteile ab.
Bei einer anderen Option bilden die Materialcharakteristika, Schätzwerte von Grundgesamtheitsdefekten und die Ausgabe der Mikrostrukturarchitektur eine Mikrostrukturvorhersage in mehreren Maßstäben von einer oder mehreren vorhergesagten Mikrostrukturbestandteilen und Defekten in mehreren Maßstäben. Bei noch einer anderen Option kann das Strukturverhaltensmodul verwendet werden, um die Dauerfestigkeit zu bestimmen. Auf ähnliche Weise kann eine von Defekten in mehreren Maßstäben und von der Mikrostruktur abhängigen Dauerfestigkeitsanalyse durch das Gussteilkonstruktionsmodul, das Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul und/oder das Modul zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben durchgeführt werden. Auf ähnliche Weise kann eine von Defekten in mehreren Maßstäben und der Mikrostruktur abhängige Ermüdungsanalyse durch das Gussteilkonstruktionsmodul, das Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul und/oder das Modul zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben durchgeführt werden. Auf ähnliche Weise kann eine von Defekten in mehreren Maßstäben und von der Mikrostruktur abhängige Zugspannungsbruchbeurteilung durch das Gussteilkonstruktionsmodul, das Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul und/oder das Modul vor Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben durchgeführt werden. Darüber hinaus kann das Strukturverhaltensmodul verwendet werden, um eine Zuverlässigkeitsanalyse durchzuführen. Obwohl die Begriffe „Beurteilung“ und „Analyse“ allgemein synonym sind, wurde der Ausdruck „Zugspannungsbruchanalyse“ hier nicht verwendet, um zu versuchen, eine Verwechslung mit dem Entwicklungsbegriff „Fehleranalyse“ zu vermeiden. Stattdessen wird der Prozess des Vergleichens der Komponentenfestigkeit mit einer aufgebrachten Zuglast hier als „Zugspannungsbruchbeurteilung“ statt als „Zugspannungsbruchanalyse“ bezeichnet.
Bei noch einer anderen Option kann die Ausgabe aus dem Modul zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben eine quantitative Vorhersage von Ergebnissen von Makro- und Mikrodefekten enthalten. Derartige Ergebnissen können Oxidfilme, eingeschlossenes Gas, Spritzer, Lunker bzw. Hohlräume (engl.: misruns), Kerngas, Einschlüsse, Makroporosität und Mikroporosität über im Wesentlichen die gesamte Gusskomponente hinweg umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Insbesondere umfassen die Makro- und Mikrodefekte Oxid-Bifilme, die sich bilden, wenn sich Oxidfilme von benachbarten Strömungen unter großen Winkeln treffen. Bei anderen Beispielen bestehen die Makro- und Mikrodefekte aus Schlieren oder Spritzern. Bei noch einer anderen Option ist der simulierte Gießverfahren ein Sandgussverfahren; auf diese Weise umfassen die Makro- und Mikrodefekte ferner Kerngasblasen, die durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Pyrolyseprodukte gebildet werden, die von erhitzten chemischen Bindemitteln im Sandgussverfahren freigesetzt werden. Bei einer anderen Form umfassen die Makro- und Mikrodefekte eingeschlossene Gasblasen. Im Allgemeinen sind eingeschlossene Gasblasen und Kerngasblasen unterschiedlich. Eingeschlossenes Gas ist dasjenige, welches mechanisch mit dem Metall vermischt ist, und umfasst zwei geläufige Mechanismen, wobei beim ersten Gas, für gewöhnlich Luft, über den „Abwärtseingusstrichter“ in die Gussform eingesaugt wird, und der zweite auftritt, wenn das Metall einen Gussformhohlraum auf turbulente Weise schneller füllt, als die Luft oder andere Gase darin entweichen können (Druckguss). Die anderen Gase innerhalb der Gussform/des Ausformwerkzeugs können aus der Beschichtung oder dem Schmiermittel des Ausformwerkzeugs resultieren. Kerngasblasen bilden sich erst, nachdem das heiße Metall mit einer Substanz in Kontakt getreten ist, die bei Erwärmung Gas erzeugen wird. Die Kerngasdefekte bilden sich im Gießverfahren zu einem anderen Zeitpunkt und weisen eine andere chemische Natur als das eingeschlossene Gas auf. Bei einer anderen Form umfassen die Makro- und Mikrodefekte Einschlüsse. Einschlüsse können beliebige Fremdmaterialien sein, die sich bereits vor dem Füllen der Gussform in dem flüssigen Metall befinden, oder etwas wie das Gussformmaterial, die Beschichtung des Ausformwerkzeugs oder das Schmiermittel des Ausformwerkzeugs, die während des Füllens der Gussform in das flüssige Metall gespült werden, oder eine Metallschicht, die sich in einer Metallgießkammer bildet, wenn das Gießverfahren nicht korrekt gehandhabt wird, und dann in die Angussöffnung und anschließend in das Gussteil hineingedrückt wird. In einer anderen Form wird die Mikroporosität vorhergesagt, indem ein interdendritisches Strömungsmodell und ein Porenwachstumsmodell integriert werden. Das Porenwachstum aufgrund von Wasserstoffdiffusion aus flüssigem Metall wird unter Verwendung von Grenzbedingungen berechnet, die durch eine erste Wasserstoffkonzentration im flüssigen Metall an einer Porenschnittstelle, die im Gleichgewicht mit einem Wasserstoffgasdruck in einer Pore steht, und einen Wasserstofffluss von Null an einem Außenradius dargestellt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum rechnergestützten Simulieren eines Gießverfahrenes für eine auf Aluminium basierende Komponente offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Computer auf eine Weise konfiguriert wird, die der vorstehenden allgemein ähnelt, und in den Computer Anforderungen an die Geometrie und die Eigenschaften eingegeben werden, die der Komponente entsprechen. Sobald die komponentenspezifischen Merkmale eingegeben sind, können verschiedene Berechnungsmodule betrieben werden, um eine Verhaltensvorhersage oder ähnliche Indizien zu erzeugen. Optional umfasst die Verhaltensvorhersagenausgabe des Strukturverhaltensmoduls eine Fehlerwahrscheinlichkeitszuordnung und eine Vorhersage des Fehlermodus und des Fehlerorts. In einer anderen optionalen Form kann bzw. können das Gussteilkonstruktionsmodul und/oder das Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul ein Expertensystem (wie vorstehend erörtert) als Teil ihrer Arbeitsweise verwenden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Produktionsartikel offenbart. Der Artikel umfasst ein von einem Computer verwendbares Medium mit einem computerlesbaren Programmcode, der darin ausgeführt ist, um ein Gießverfahren für eine auf Aluminium beruhende Komponente zu simulieren. Der computerlesbare Programmcode enthält Abschnitte, um zu veranlassen, dass der Computer Daten empfängt, welche die auf Aluminium beruhende Komponente betreffen, eine iterative Gussteilkonstruktionsanalyse auf der Grundlage der empfangenen Daten durchführt, eine Prozessoptimierungsanalyse auf der Grundlage einer Ausgabe, die von der Gussteilkonstruktionsanalyse erzeugt wird, durchführt, eine Mikrostrukturanalyse auf der Grundlage einer Ausgabe, die von der Prozessmodellierungs- und Optimierungsanalyse erzeugt wird, durchführt, und eine Strukturverhaltensanalyse auf der Grundlage einer Ausgabe, die von der Mikrostrukturanalyse erzeugt wird, durchführt, sodass eine Ausgabe, die von der Strukturverhaltensanalyse erzeugt wird, Verhaltensindizien des simulierten Gussteils und seines Herstellungsprozesses definiert.
Bei einem ähnlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur analytischen Bestimmung, wie eine auf Aluminium beruhende Komponente gegossen werden soll, offenbart. Das System enthält Geräte zur Dateneingabe, Datenausgabe, Verarbeitung, zur Speicherung, zur Steuerung und zur Kommunikation, die miteinander arbeiten, und einen Satz von Berechnungsmodulen als einen Weg zur Bestimmung eines optimalen Konstruktions- und Fertigungsansatzes für die Komponente. Wie der Fachmann feststellt, bildet eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche die vorstehend erwähnte Eingabe, Ausgabe, Verarbeitung oder eine ähnliche arithmetische logische Einheit, Steuerung und Speicher umfasst, die miteinander gekoppelt sind, die Basis einer Von-Neumann- oder einer ähnlichen Computerarchitektur. Die Berechnungsmodule sind programmierbar ausgestaltet, um Parameter zu empfangen, die mit einer zu gießenden auf Aluminium beruhenden Komponente verbunden sind, und umfassen ein Gussteilkonstruktionsmodul, ein Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul, ein Modul in mehreren Maßstäben (zur Bestimmung von Gussteildefekten und Mikrostrukturvorhersagen) und ein Strukturverhaltensmodul. Der Betrieb dieser vier Module ist in ein System integriert, von dem ein Teil einen expertensystembasierenden Ansatz zum Integrieren der Komponentenkonstruktion und -fertigung verwendet. Eine Komponente einer derartigen Integration ist die Fähigkeit des Systems, die Werkzeuge mit Makro-Maßstab (d.h. Millimeter oder größer) der Gussteilkonstruktion, die Prozessmodellierung und -Optimierung, und Strukturverhaltensbewertungen auf die variierenden Maßstäbe (d.h. Makro, Mikro und Nano) des Werkzeugs in mehreren Maßstäben abzustimmen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende genaue Beschreibung spezieller Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und in denen:

1A die grundlegenden Schritte zeigt, die mit den Modulen verbunden sind, welche das VCCD-System der vorliegenden Erfindung bilden, wobei ein vorgeschlagenes Gussteil nach der Erstarrung einer Wärmebehandlung unterzogen wird;
1 B die grundlegenden Schritte zeigt, die mit den Modulen verbunden sind, die das VCCD-System der vorliegenden Erfindung bilden, wobei ein vorgeschlagenes Gussteil nach der Erstarrung keiner Wärmebehandlung unterzogen wird;
2 eine schematische Veranschaulichung ist, welche die Verwendung eines Expertensystems für das Gussteilkonstruktionsmodul darstellt;
3 eine schematische Veranschaulichung ist, welche die Verwendung eines Expertensystems für das Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul darstellt;
4A bis 4C schematische Darstellungen von Eingaben in das und Ausgaben aus dem Modul in mehreren Maßstäben sind, das für Mikrostruktur- und Defektvorhersagen verwendet werden kann;
5 eine schematische Darstellung von Eingaben in das und Ausgaben aus dem Strukturverhaltensmodul ist;
6 eine schematische Darstellung ist, welche die Korrelation von Operationen zwischen den Systemen mit verschiedener Größe von zwei der Module des VCCD-Systems zeigt;
7 das System von 1 bis 6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem Computer implementiert zeigt; und
8 die Bildung eines Bifilms, von eingeschlossenem Gas und eines Spritzers zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug zunächst auf 1A sind die vier Hauptberechnungsmodule eines VCCD-Systems 1 (hier auch als ein VCCD-Expertensystem, ein virtuelles Gussteilsystem oder einfacher ein System bezeichnet) ein Gussteilkonstruktionsmodul 100, ein Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul 200, ein Modul 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen und ein Strukturverhaltensmodul 400, alle wie gezeigt entlang spezieller Stellen des Flusspfads des VCCD-Systems 1. Das offenbarte VCCD-System 1 ist eine spezielle Implementierung von CAE und ICME, die ermöglicht, dass virtuelle Komponenten Iterationen bei der Beurteilung der Konstruktion, des Gießverfahrens, der Wärmebehandlung und der Struktur und Haltbarkeit unterzogen werden, um die anschließende Herstellung tatsächlicher Äquivalente derartiger Komponenten zu optimieren. In dem VCCD-System 1 wird besonderes Augenmerk gelegt auf die Optimierung der Gussteilgeometrie und der Anguss / Steigleitungskonstruktion, auf eine genaue Bestimmung der Mikroporosität (statt einfach vereinfachende Annahmen), auf eine Behandlung größerer Defekte, wie sie vorstehend erwähnt wurden, die bei Aluminiumgussteilen häufig sind, und auf die Auswirkung auf die Ermüdung und ähnliche Zuverlässigkeitsberechnungen dessen, wie die eutektischen Phasen in der Mikrostruktur angeordnet sind. Der Ansatz der vorliegenden Erfindung ist besonders gut geeignet, um Ermüdungseigenschaften zu schätzen, wenn an einer speziellen Stelle keine Gussteildefekte vorhanden sind; dieser Ansatz unterscheidet sich allgemein von denjenigen von Ermüdungsmodellen mit kurzen Rissen oder langen Rissen, die erfordern, dass ein angenommener Defekt vorhanden ist.
Wie im Strömungspfad gezeigt ist, kann eine Ausgabe von einem oder mehreren der Module 100, 200, 300 und 400 als Eingabe in ein oder mehrere der verbleibenden Module 100, 200, 300 und 400 verwendet werden. Zudem werden bestimmte Entscheidungspunkte, welche umfassen, ob die vorgeschlagene Konstruktion Gussformkonstruktionsanforderungen 120 (auch endgültige Gussteilkonstruktion genannt), Gussteilqualitätsanforderungen 220, Mikrostrukturanforderungen 240, Eigenspannungsanforderungen 250 oder Kundenanforderungen 450 erfüllt, bei dem Versuch verwendet, festzustellen, ob der Ansatz des VCCD-Systems 1 ein optimiertes Produkt 480 erzeugt. Das Gussteilkonstruktionsmodul 100 kann verwendet werden, um zahlreiche Versuchsplanungen (DOE) oder ähnliche iterative Aufgaben an der Eingabe 20 der Produktgeometrieanforderungen und der Eingabe 30 der Eigenschaftsanforderungen durchzuführen, um ein optimales Gussteilgeometriemodell mit Anguss/Steigleitersystemkonstruktionen und Legierungs-/Prozessempfehlungen als Ausgabe in der Form von Gussteilempfehlungen in den Gussteilkonstruktionsanforderungen 120 bereitzustellen.
Mit Bezug als nächstes auf 2 in Verbindung mit 1A und 1B umfassen Aufgaben, die im Gussteilkonstruktionsmodul 100 durchgeführt werden, einen Anfangsschätzwert von Legierungseigenschaften, die Wahl eines Gießverfahrens (beispielsweise Druckguss, Sandguss oder ähnliche Verfahren), Anguss- und Steigleitungsdaten und ähnliche Konstruktionsregeln, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese Aktivitäten werden gemeinsam unter Verwendung einer Wissensbasis 102 durchgeführt. Eine beispielhafte Gusskomponente, beispielsweise ein Kraftfahrzeug-Zylinderkopf, kann als typische Gießverfahren Nassguss, Feinsandguss, Semi-Hartguss und Vollformguss (Lost-Foam-Verfahren) umfassen. Bestimmte Gießverfahren, etwa Hochdruckguss, kann aus verschiedenen Gründen speziell für die fragliche Komponente als ungeeignet angesehen werden, etwa wegen der geometrischen Komplexität des Werkstücks. In jedem Fall werden, sobald die Wahl des Gießverfahrens und die Wahl der Legierungseigenschaften getroffen sind, die zugehörigen Gussteilkonstruktionsregeln in der Wissensbasis 102 für die anfängliche Anguss/Steigleitungskonstruktion, den Kokillenort, die Größenkonstruktion und ähnliche Parameter verwendet. Nachdem eine Anfangsform definiert ist, können die optimalen Abmessungen durch DOE numerisch beschafft werden, wobei die Gussteildefektergebnisse für jeden Lauf innerhalb der DOE-Matrix geschätzt und bei der endgültigen Optimierung verwendet werden. Ein Vorteil der Verwendung von DOE ist die Berechnungsgeschwindigkeit, die ermöglicht, dass eine optimierte Gussteilkonstruktion in nur wenigen Iterationen ermittelt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die relativen Beiträge der verschiedenen Faktoren in der DOE-Ausgabe aufgelistet sind, was verdeutlicht, welche Variable oder Variablen die größte Auswirkung auf die Gussteildefekte haben. Da tatsächliche Gießverfahren die Interaktion der Eingabeparameter und des Ausgangs umfassen, ermöglicht die Verwendung von DOE-Verfahren darüber hinaus die Untersuchung von Interaktionen zwischen Eingangsvariablen und den Ergebnissen ohne Rückgriff auf die Zeit und die Kosten, die mit physikalischen Versuch- und Irrtum-Verfahren verbunden sind. Eine Ausgabe aus dem Modul 100 in der Form einer endgültigen Gussteilkonstruktion 120 liefert eine grobe Approximation des Gießverfahrens, der Legierungszusammensetzung, der Gussteilgeometrie und des Aufbaus (d.h. Anguss, Bearbeitungsvorrat und Steigleitungen) auf der Grundlage der Produktgeometrie und der Eigenschaftenanforderungen 20.

Diese Informationen können zu dem Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul 200 weitergeleitet werden, das verwendet wird, um mit den Mikrostruktur- und Defektberechnungen des Moduls 300 durch die Wärmebehandlungssimulationen im Teilmodul 200-2 zu interagieren, um als Ausgabe Qualitätsindizien zu erzeugen, wobei Beispiele für diese die Teilmodule für optimale Prozesspraxis, Eigenspannung und Verzerrung und für Prozessverbesserungsgelegenheiten (beide wie in 3 gezeigt) umfassen. Wie in 3 gezeigt ist, kann die Ausgabe 250, die Empfehlungen für eine optimale Prozesspraxis, verwendet werden, um die Prozessentwicklungsvorbereitungen für ein neues Produkt zu beschleunigen. Anforderungen an die Fähigkeiten der Ausrüstung können quantifiziert werden, etwa das Wasserstoffniveau, das in der Entgasungsstation auf der Gussleitung benötigt wird, und eine Prozesssteuerungsdokumentation mit Grenzen auf der Grundlage der Modellausgabe kann bereits vor den Produktionsversuchen vorbereitet werden. Wenn beispielsweise das Ziel-Porositätsniveau weniger als 0,5 Volumenprozent wäre, würde die Prozessoptimierung melden, dass die vorhergesagten Porositätsniveaus am Gussteilmodell das Ziel überschreiten, oder die Anzahl der Knoten summieren, welche diesen Wert überschreiten. Beispiele in Tabellenform zeigen Ergebnisse und Empfehlungen für sowohl eine nicht optimierte Gussteil- und Prozesskonstruktion (Tabelle I) als auch eine optimierte (Tabelle II). Tabelle I (nicht optimiertes Gussteil)

Qualitätsindex	Ziel Erfüllt	Ziel Überschritten	Empfohlene Änderung
%Porosität < 0,5%	Ja, max 0,4%
Anzahl Bifilme/cm³ < 100	Nein	Knoten 10772:200/cm³ Knoten 10773:250/cm³	Geschwindigkeit verringern
Max Porengröße < 200µm	Nein	Knoten 12222: 700µm	Wasserstoffinhalt verringern oder lokale Kühlungsraten erhöhen
Eigenspannung < 80MPa	Nein	Knoten 15331: 120MPa	Temperatur der Abschreckmedien erhöhen

Tabelle II (optimiertes Gussteil)

Qualitätsindex	Ziel Erfüllt	Wert
%Porosität < 0,5%	Ja	Max. 0,4%, Mittelwert 0,2%
Anzahl Bifilme / cm³ < 100	Ja	Max. 99/cm³, Mittelwert 90/cm³
Max Porengröße	Ja	Max 150 µm,
< 200µm		Mittelwert 100 µm
Eigenspannung < 80 MPa	Ja	Max. 78 MPa, Mittelwert 30 MPa

In 1A und 1B würden Ergebnisse wie etwa in den vorstehenden Tabellen die Eingabe an den Entscheidungsschritt mit dem Titel Gussteilqualitätsanforderungen 220 und an den Entscheidungsschritt mit dem Titel Eigenspannungsanforderungen 250 bilden.
Mit Bezug speziell auf 3 in Verbindung mit 1A und 1B kann ein Expertensystem 201, das (unter anderem) eine Wissensbasis 202 verwendet, als Teil des Prozessmodellierungs- und Optimierungsmoduls 200 verwendet werden, damit es eine Materialiendatenbank, eine Gussform/Ausformwerkzeugs-Konstruktions- und Prozesseingabesteuerung (um thermische Grenzbedingungen für die Erstarrungsanalyse zu schaffen), eine Eingabe und Steuerung der Schmelzqualität (als Eingabe, um eine Betrachtung für (unter anderem) Oxide, Bifilme und Wasserstoffniveaus zu enthalten), eine Steuerung der Gussformfüllpraxis und Erstarrung, eine Eingabe und Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder eine Eingabe und Steuerung der maschinelle Bearbeitungsprozesse enthält, wobei alle vorstehenden als Aufgaben, Werkzeuge oder Teilmodule ausgestaltet sind. Die Ergebnisse des Teilmoduls zur Eingabe und Steuerung der maschinellen Bearbeitungsprozesse liefern eine Anzeige der Form, der Festigkeit und der Eigenspannung, die in der Komponente besteht, welche durch die anderen Teilmodule innerhalb des Prozessmodellierungs- und Optimierungsmoduls 200 modelliert wurde. Bei einer Form der Ausgabe können das Teilmodul für die Gussform/ Ausformwerkzeugs-Konstruktion und Prozesseingabesteuerung und das Teilmodul zur Steuerung der Gussformfüllpraxis und Erstarrung in Verwendung mit einer Anzeige- oder Druckersoftware verwendet werden, um Farbbilder oder eine ähnliche graphische Darstellung zu erzeugen. Die Ausgaben (in der Form von Prozessverbesserungsgelegenheiten und empfohlenen optimalen Prozesspraktiken) werden dann einer Entscheidung bezüglich der Gussteilqualitätsanforderungen 220 unterzogen, sodass der Komponentenkonstrukteur oder Prozessentwickler seine oder ihre besten Praktiken einsetzen kann, wobei eine Ausgabe aus den Eigenspannungs- und Verzerrungsvorhersagen 250 verwendet werden kann, um wertvolle Eingabeinformationen für das Strukturverhaltensmodul 400 bereitzustellen.
Eigenspannungen, die aus einer Wärmebehandlung von Gussteilen resultieren, müssen berücksichtigt werden, speziell Veränderungen bei der Verteilung derartiger Spannungen auf der Grundlage von maschinellen Bearbeitungsoperationen, die nach der Wärmebehandlung durchgeführt werden. Beispielsweise ist das Entfernen einer Steigleitung oder eines ähnlichen Hilfsmaterials nach der Wärmebehandlung ein maschineller Bearbeitungsschritt, der die Verteilung von Eigenspannungen, die in nachfolgenden Analysen verwendet werden, etwa einer Haltbarkeitsanalyse, signifikant beeinflussen kann. Der von den verschiedenen Modulen von System 1 verwendete Ansatz kann Eigenspannungszustände durch einen simulierten maschinellen Bearbeitungsprozess wie wärmebehandelte Eigenspannungen verwenden, um die Eigenspannungen in einer vorgeschlagenen Komponente genauer vorherzusagen. Mit Bezug speziell auf 1B kann das Gussteil bei bestimmten Umständen natürlich gealtert werden; bei einem derartigen Ereignis würde die Ausgabe aus den Gussteilqualitätsanforderungen 220 immer noch in die Mikrostrukturanforderungen 240 und die Eigenspannungs- und Verzerrungsanforderungen 250 mit der Vorgabe eingegeben, dass die Wärmebehandlung tatsächlich ein Altern bei Raumtemperatur ist. Folglich wird das Gussteil in einer Bedingung im Gusszustand verwendet, was effektiv bedeutet, dass die im Teilmodul 320 vorhergesagten Defekte und Mikrostrukturen im Gusszustand in das Verhaltensvorhersagemodul 400 ohne Berücksichtigung von Prozessmodellierungsiterationen eingespeist werden, um die Wärmebehandlung zu keiner. Obwohl das Gussteil der Wärmebehandlung unterzogen wird, muss die Eigenspannung und Verzerrung im Gusszustand im Teilmodul 230 dennoch vorhergesagt werden. Obwohl das Gussteil den Wärmebehandlungsüberlegungen von 1A nicht unterzogen wird, wird dennoch auf gleiche Weise eine Berücksichtigung von maschinellen Bearbeitungseffekten, die im Teilmodul 200-3 gezeigt sind, benötigt. Das Teilmodul 200-4, was für den in 1B dargestellten Ansatz mit natürlicher Alterung einzigartig ist, wird verwendet, um den Kühlprozess eines erstarrten Gussteils zu simulieren, hauptsächlich, um eine Eingabe an die Eigenspannungs- und Verzerrungsberechnungen des Teilmoduls 230 bereitzustellen. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass die Wärmebehandlungsprozessmodellierung (egal, ob in der Form des Raumtemperaturansatzes von 1B oder des Ansatzes mit erhöhter Temperatur von 1A) unter Verwendung einer Geometrie durchgeführt wird, welche die Komponente darstellt, wenn sie in den Wärmebehandlungsprozess eintritt.
Die Optimierungsfunktionen in den Modulen 100 und 200 liefern eine Eingabe an das Modul 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen und antworten auf eine Ausgabe aus diesem. Wie vorstehend angegeben wurde, liefert das Modul 300 genaue Vorhersagen von Grundgesamtheiten von Defekten und Mikrostrukturverteilungen für die Gusskomponente auf der Grundlage der Eingaben der Gussteilkonstruktion und des Gießverfahrens. Bei einer essentiellen Komponente greift das Modul 300 die Wärmeübertragung im globalen Maßstab und Fluidströmungsbedingungen vom Modul 200 auf, um Dendriten- und Eutektikum-Formationen auf der mikroskopischen Ebene vorherzusagen. Codes im Mesomaßstab oder Nanomaßstab oder beide werden verwendet, um die Mikrostruktur im Gusszustand und mögliche Gussteildefekte hinsichtlich der Größe, des Volumenanteils und der Morphologie vorherzusagen. Die vorhergesagten Defektgrundgesamtheiten können als ein Qualitätsindex verwendet werden, der im Modul 200 optimiert werden soll.
Die Eingabeinformationen (thermisch, chemisch, physikalisch oder mechanisch) für die Mikrostruktur im Gusszustand mit Mesomaßstab oder Nanomaßstab (dendritische und eutektische Strukturen) und für die Gussteildefektsimulation werden von einer Simulation eines Fluidvolumens (VOF) im Makromaßstab bereitgestellt, die einen Teil des Prozessmodellierungs- und Optimierungsmoduls 200 bildet. Beispielhafte Gussteildefekte, die im Modul 300 vorhergesagt werden, umfassen Makro- und/oder Mikroporosität, Oxide und Einschlüsse, Warmrisse, Lunker bzw. Hohlräume, Kerngas, Spritzer und eingeschlossenes Gas, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Mikrostrukturbestandteile umfassen, sind aber nicht beschränkt auf dendritische Fasern, dendritische Zellen und Partikel der zweiten Phase in sowohl Mikromaßstab- als auch Nanomaßstab-Systemen. Um zu diesen zu gelangen, enthält das Modul 300 Vorkehrungen für eine Materialdatenbank, Grenzbedingungen, ein Phasengleichgewicht in mehreren Maßstäben, die Vorhersage der vorstehend erwähnten Gussteildefekte, und Werkzeuge, Aufgaben oder Teilmodule zur Vorhersage der zweiten Phase im Mikromaßstab und von Ablagerungen im Nanomaßstab. Diese Eigenschaften im kleinen Maßstab hängen in hohem Maße vom Fertigungsverlauf der Komponente ab, was dem Integrieren von Operationen über die verschiedenen Module hinweg eine erhebliche Bedeutung verleiht. Folglich wird die von den Modulen 100 und 200 empfangene Eingabe verwendet, um die Auswirkung der Gussteilkonstruktion und der verschiedenen Herstellungsprozesse auf Materialeigenschaften im kleinen Maßstab einzuführen, die wiederum verwendet werden, um mechanische und physikalische Eigenschaften der Komponente, die gegossen wird, in größerem Maßstab vorherzusagen. Eine Ausgabe aus der Entscheidung 240 der Mikrostrukturanforderungen liegt in der Form von Mikrostrukturbestandteilen vor, die in das Teilmodul 200-2 zur Modellierung und Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses und das Teilmodul 330 zur Vorhersage der wärmebehandelten Mikrostruktur in mehreren Maßstäben zurückgeführt werden können. Die in Modul 300 ermittelten Faktoren stellen den zuverlässigsten Weg zur Durchführung der Ermüdungsanalyse des Teilmoduls 400D in mehreren Maßstäben bereit. Die Ausgabe aus dem Modul 300 zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben umfasst Materialcharakteristiken, Schätzwerte der Defektgrundgesamtheit für einen weiten Bereich von Defekttypen, und eine Mikrostrukturarchitektur über mehrere Größenmaßstäbe hinweg. Die ausgegebenen Materialcharakteristiken umfassen, sind aber nicht beschränkt auf den Materialliquidus, Solidus, den Festanteil als Funktion der Temperatur, die Erstarrungssequenz und thermodynamische und thermophysikalische Eigenschaften individueller erstarrter Phasen. Die Ausgabe der Defektgrundgesamtheit der verschiedenen Defekte besteht aus, ist aber nicht beschränkt auf Oxide, eingeschlossenes Gas, Spritzer, Kerngas, Makroporosität und Mikroporosität. Die Mikrostrukturarchitektur ist ein Verbund aus den Mikrostrukturbestandteilen. Diese Mikrostrukturbestandteile werden durch Mikrostrukturcharakteristika wie etwa erstarrte Phasen, Volumenanteile und Größenverteilungen von einzelnen Phasen, die Zusammensetzung und kristallografische Struktur einzelner Phasen oder dergleichen beschrieben, sind aber nicht darauf beschränkt.
Mit Bezug speziell auf 5 und 6 in Verbindung mit 1A und 1B beurteilt das Strukturverhaltensmodul 400 die Haltbarkeit der Komponente oder des Produkts, die bzw. das einer Test- oder einer Betriebsbelastung unterzogen wird; es beruht vorzugsweise auf wahrscheinlichkeitstheoretischen mikromechanischen Modellen. Die Verhaltensvorhersage dient als eine Ausgabe aus dem Modul 400 und gibt an, wo es zu erwarten ist, dass die Komponente ausfällt, durch welchen Fehlermodus, und die Wahrscheinlichkeit des Fehlers. Wenn die Haltbarkeit der modellierten Komponente in diesem kritischen Augenblick die Anforderungen erfüllt, sind die strukturellen Attribute verifiziert worden; wenn nicht, dann wird die Analyse zu dem Gussteilkonstruktionsmodul 100 zurückkehren, um es erneut zu versuchen. Bei einem Aspekt enthält das Modul 400 mindestens ein Materialiendatenbank-Teilmodul 400A, ein Zugspannungsbruch-Beurteilungsteilmodul 400B, ein Dauerfestigkeitsanalysen-Teilmodul 400C und ein Teilmodul 400D zur Analyse der Ermüdung in mehreren Maßstäben. Eine Eingabe an das Strukturverhaltensbeurteilungsmodul 400 (welche auch Vorhersagen mechanischer Eigenschaften enthält) ist in der Form zahlreicher Teilmodule 310, 320 und 330 des Moduls 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen, der Betriebs/Testbedingungen 430 und der vorhergesagten Eigenspannung und Verzerrung 420A gezeigt. Dabei stellen die Betriebs/Testbedingungen 430 Lastbedingungen bereit; während die Eigenspannung 420A zusammen mit beliebigen Montagebelastungen, die in den Betriebs/Testbedingungen 430 enthalten sind, die vorab existierenden Spannungen in der Komponente bereitstellen; für Simulationen des strukturellen Verhaltens oder der Haltbarkeit. Das Materialiendatenbank-Teilmodul 400A stellt thermophysikalische Eigenschaften von Materialien bereit (etwa diejenigen, die in den thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften 10 von 1A und 1B dargestellt sind), welche von den anderen Teilmodulen benötigt werden. Das Teilmodul 400B soll das Zugspannungsverhalten berechnen, indem es die lokalen Zugspannungseigenschaften des Materials mit Zugspannungslastbedingungen vergleicht. Dies wirkt insofern wie das Tor einer ersten Stufe, als ein Fehler bei diesem jegliche zusätzliche Untersuchung der Vorteile der vorgeschlagenen Komponente infrage stellt. Das Teilmodul 400C soll die lokale Materialdauerfestigkeit aus einer Mikrostruktur in mehreren Maßstäben berechnen, wie im Teilmodul 420A abgedeckt ist, und es soll die Materialeigenschaften mit lokalen thermischen und Spannungsbedingungen vergleichen. Auf ähnliche Weise soll das Teilmodul 400D lokale Materialermüdungseigenschaften (ebenfalls im Teilmodul 420A abgedeckt) und Verhalten berechnen. Insbesondere umfasst eine Ermüdungsanalyse in mehreren Maßstäben eine Reihe von Abfragen, wobei sich die erste darauf bezieht, ob ein großer Mangel vorhanden ist (wie etwa ein Bifilm, ein Spritzer oder andere wie hier erörtert), die zweite Situationen betrifft, bei denen die Mikroporosität die einzige vorhandene signifikante Anomalie ist, und die dritte sich darauf bezieht, dass es keine wahrnehmbare Defekte an der Stelle gibt, die bewertet wird. Fragen wie diese sind für das Gießen im Allgemeinen und speziell mit Bezug auf Druckgießen wichtig.
Mit Bezug als nächstes auf 4A bis 4C in Verbindung mit 6 sind Details über Vorhersagen von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen gezeigt. Auf den Empfang von Informationen hin, die das Gussteilmodell mit Anguss- oder Steigleitungsmerkmalen betreffen, vom Gussteilkonstruktionsmodul 100, von Gießbedingungen vom Prozessmodellierungs- und Optimierungsmodul 200, von thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften 10 der Legierung und der Legierungszusammensetzung und der Metallqualität und dem Gießprozess von der Wissensbasis 102 von 2, teilt sich das Mikrostrukturvorhersagemodul 300 in Analysen im Mikromaßstab und Makromaßstab auf. Das gewählte Analyseverfahren hängt von dem Maßstab des Defekts oder des Mikrostrukturbestandteils ab, der modelliert werden soll. Beispielsweise kann man Defekte im Makromaßstab (Maßstab III) typischerweise mit dem blo-ßen Auge oder einem Vergrößerungsglas sehen. Häufige Beispiele derartiger Defekte umfassen Kerngasblasen, eingeschlossenes Gas und Spritzer. Aufgrund des physikalischen Maßstabs der Defektbildungsprozesse werden diese unter Verwendung von Modellen mit finiten Elementen (FEM), von finiten Differenzverfahren (DFM) oder Fluidvolumenverfahren (VOF-Verfahren) mit Knotendimensionen in der Größenordnung von Millimetern bis Zentimetern modelliert, um Defekte und Mikrostrukturbestandteile mit maximalen Dimensionen in der Größenordnung von 10 Millimetern bis zu einem Meter vorherzusagen. Als das kleinste Extrem müssen Mikrostrukturbestandteile wie etwa Ablagerungen im Nanomaßstab modelliert werden, um die lokale Festigkeit vorherzusagen. Diese Vorhersagen auf Ebene von Maßstab I werden fast auf der Atomebene durchgeführt, wobei Rechenverfahren wie etwa Ab-Initio, Molekulardynamik (MD) und Phasenfeldberechnungen (PF-Berechnungen) verwendet werden, um die Mikrostrukturbildung in einem Gesamtvolumen von kleiner als 1 Kubik-Mikron zu simulieren. Die Vorhersagen im Maßstab I benötigen eine Validierung unter Verwendung von Werkzeugen wie etwa dem Transmissions-Elektronenmikroskop mit hunderttausendfacher Vergrößerung, um die Ablagerungen und Kristallstrukturen im Nanomaßstab aufzulösen. Die Lücke zwischen Maßstab I und III für Defekte und Mikrostrukturbestandteile, die in der maximalen Abmessung von etwa 1 Mikron bis 10 Millimeter reicht, wird durch Simulationsverfahren im Mesomaßstab und Mikromaßstab (d.h. Maßstab II) gefüllt. Verfahren im Maßstab II sagen die Bildung von Defekten wie etwa Mikroporosität und schädlichen Partikeln der zweiten Phase sowie von Mikrostrukturbestandteilen wie etwa Dendriten, Zellen und eutektischen Partikel vorher. Rechenverfahren, die für die Vorhersagen im Mesomaßstab und Mikromaßstab verwendet werden, umfassen Zellularautomaten (CA), modifizierte Zellularautomaten (MCA) und PF, und die Vorhersagen werden verifiziert, indem die Defekte und die Mikrostruktur mit Standardwerkzeugen beobachtet werden, wie etwa Metallmikroskopen und Rasterelektronenmikroskopen mit Vergrößerungen, die von 10-10.000-fach reichen. Der Fachmann wird feststellen, dass diese allgemeinen Klassen von Größenunterscheidungen bis zu einem gewissen Grad willkürlich sind und dass einige von diesen in der Tat in mehr als einem der vorstehend erwähnten Maßstäbe existieren können; dies wird aus dem Kontext offenbar. Mit Bezug speziell auf 4A werden Aktivitäten im Makromaßstab (Maßstab III) verwendet, um Defektvorhersagen im Gusszustand (d.h. vor irgendeiner Wärmebehandlung nach dem Gießen) für Löcher, Oxide und ähnliche Defekte bereitzustellen. Das Teilmodul 310 zur Vorhersage von Defekten im Makromaßstab geht entlang von zwei Pfaden vor, welche Analysen für die Fluidströmung 312 und die Erstarrung 313 umfassen. Aus der Fluidströmung 312 werden bei 314 Informationen ermittelt, welche Oxid-Bifilme, eingeschlossenes Gas und gefangenes Gas betreffen. Auf ähnliche Weise werden bei 315 Informationen ermittelt, welche das Kerngas und Brutto-Mikroschwund betreffen. Details mit Bezug auf Defekte wie etwa diejenigen in 314 und 315 werden später in größerem Detail erörtert, einschließlich einer Erörterung mit Bezug auf 8.
Mit Bezug speziell auf 4B ist ein Teilmodul 320 zur Bestimmung von Mikrostrukturen und Defekten im Mikromaßstab im Gusszustand gezeigt. Wie das Teilmodul 310 von 4A begünstigt das Teilmodul 320 eine zweigeteilte Analyse für Defekte 321 im Maßstab II und für Mikrostrukturen 325 im Maßstab I, II und III. In der ersten Analyse umfassen Defekte 321 im Mikromaßstab Erstarrungsdefekte 322 im Maßstab II, welche aus Mikroporositätsdefekten bestehen, die von Modellen vorhergesagt werden, die in den Maßstäben I und II arbeiten, und schädliche Phasen, die von Modellen vorhergesagt werden, die im Maßstab II arbeiten. In der zweiten Analyse umfassen Mikrostrukturen 325 Dendrite und Fasergrenzen für die Maßstäbe II und III, zweite Phasen wie etwa eutektische Versteifungspartikel für den Maßstab II und Ablagerungen im Nanomaßstab für den Maßstab I. Die Ausgabe aus dem Teilmodul 320 wird für drei Dinge verwendet, wie in 1A und 1B gezeigt ist. Das erste davon umfasst das Vergleichen von Defektvorhersagen 320 mit Gussteilqualitätsanforderungen 220, um festzustellen, ob die Mikroporosität oder andere Defekte zulässige Werte überschreiten. Wenn die Gussteil-Qualitätsziele nicht erreicht werden, dann iteriert das VCCD-System 1 in den Modulen 100 und 200 über die Gussteil-Konstruktions- und Prozessparameter. Wenn die Gussteil-Qualitätsziele erreicht werden, dann werden die vorhergesagten Defekte und Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben im Strukturverhaltensvorhersagemodul 400 verwendet. Zudem werden für Gussteile, die wärmebehandelt werden, die im Gusszustand vorhersagten Mikrostrukturen als Eingabe für die Vorhersage 330 wärmebehandelter Mikrostrukturen, die in 4C gezeigt ist, verwendet. Die Ausgaben der in 4B dargestellten Bestandteile von Defekten im Mikromaßstab und Mikrostrukturen im Gusszustand werden mit der Qualitätsanforderung verglichen und im Teilmodul 220 als Entscheidungskriterium verwendet. Wenn die minimalen Qualitätskriterien erfüllt sind, dann werden die Mikroschwunddaten an das Strukturverhaltensmodul 400 weitergegeben. Bei Gussteilen, die nicht wärmebehandelt werden, werden die restlichen Mikrostrukturdetails, die in 4B als Ausgabe aufgelistet sind, ebenfalls an das Strukturverhaltensmodul 400 weitergegeben, wo sie dann verwendet werden, um die Haltbarkeit direkt aus den Details zur Größe, Form und Anordnung von Mikrostrukturen aus dem Teilmodul 320 zu berechnen. Wenn das Gussteil wärmebehandelt wird, dann wird die Ausgabe des Teilmoduls 320 der Startpunkt zur Vorhersage der endgültigen „wärmebehandelten“ Mikrostruktur. Beispielsweise kann es notwendig sein, zu schätzen, wie abgerundet die scharfkantigen scheibenförmigen eutektischen Partikel während des Wärmebehandlungsprozesses werden, wobei die Form in der Bedingung im Gusszustand aus dem Teilmodul 320 den Startpunkt für die Vorhersage im Teilmodul 330 bilden kann, wobei die Ränder der Ecken weniger scharfkantig werden, wenn das Partikel versucht, sich einem kugelförmigeren Zustand zu nähern. Derartige Formänderungen können die Strukturantwort der Mikrostruktur auf Zugspannungs- und ähnliche Belastungen erheblich beeinflussen.
Mit Bezug als nächstes auf 4C werden die Ergebnisse der Vorhersagen der vorhergesagten Mikrostruktur in mehreren Maßstäben im Gusszustand von Teilmodul 320 dann auf Wärmebehandlungseffekte in dem Teilmodul 330 zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben im Wärmebehandlungszustand analysiert. Es wird festgestellt werden, dass es nicht notwendig ist, die betreffende Ausgabe aus dem Teilmodul 310 zur Vorhersage von Defekten im Makromaßstab dem Teilmodul 330 zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben im Wärmebehandlungszustand zu unterziehen, da sich Defekte in größerem Maßstab wie etwa Oxide, Löcher in Verbindung mit der Oberfläche oder dergleichen nicht verändern, wenn sie den meisten herkömmlichen Wärmebehandlungen unterzogen werden. Für Komponenten jedoch, die einem isostatischen Heißpressen unterzogen werden, wird die interne Porosität im Makro- und Mikromaßstab von 310 und 320 im Wärmebehandlungs-Prozessmodell 200-2, in den Verzerrungsvorhersagen 230 und im Teilmodul 330 zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben im Wärmebehandlungszustand enthalten sein, um den Effekt des isostatischen Heißpressprozesses auf den endgültigen Abmessungs- und Mikrostrukturzustand der Komponente genau darzustellen. Ermittelte Größen umfassen eine Mikrostruktur im Mikromaßstab 331, Dendrite 332, zweite Phasen wie etwa eutektische Versteifungspartikel und Ablagerungen im Nanomaßstab. Die Ausgabe aus dem Teilmodul 330 umfasst Phasen in mehreren Maßstäben, eutektische Partikel und Ablagerungen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Ein Vorteil des Verfahrens, wie es in den Vorhersagen der Defekte in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen ausgeführt ist, besteht darin, dass verschiedene rechentechnische Maßnahmen zum Zeitsparen verwendet werden können. Beispielsweise können Informationen aus dem Teilmodul 310 zur Vorhersage von Defekten im Makromaßstab in die Zugspannungsbruchbeurteilung im Teilmodul 400B (in 5 gezeigt) und das Teilmodul 420A (in 6 gezeigt) der globalen Eigenschaften eingespeist werden, ohne den Rest der detaillierten Analyse abzuschließen, um festzustellen, ob es notwendig ist, durch die verbleibenden Schritte hindurch weiterzugehen. Wenn in einem anderen Fall die Restspannungen, die durch das Wärmebehandlungsmodell vorhergesagt werden, zu hoch sind, wird die Software über Wärmebehandlungsparameter in 200-2 iterieren oder in 115 eine Produktgeometrieveränderung vorschlagen, ohne Haltbarkeitsoder Zuverlässigkeitsberechnungen der Teilmodule 440 oder 460 auszuführen. Auf diese Weise werden die komplexeren Haltbarkeits- und Zuverlässigkeitsberechnungen auf später verschoben, bis eine Gussteilgeometrie und eine Prozesskonstruktion ausgeklügelt worden sind, welche spezifizierte Qualitätsindizien erfüllen. An dieser Stelle kann eine beschleunigte Haltbarkeits- oder Zuverlässigkeitsberechnung unter Verwendung nur der ortsabhängigen Informationen zu Mikrostrukturen, Defekten und Restspannungen für die Oberfläche des Werkstücks durchgeführt werden, wenn es am wahrscheinlichsten ist, dass die Betriebsbelastungen an der Oberfläche eingeleitete Ausfälle auslösen. Wenn diese oberflächenknotenbasierte Ausfallprüfung die geforderten Haltbarkeits- und Zuverlässigkeitsvorgaben erfüllt, dann können die Haltbarkeits- und Zuverlässigkeitsberechnungen für die verbleibenden Knoten abgeschlossen werden, um versteckte interne Schwachstellen zu suchen. Wenn die oberflächenknotenbasierte Ausfallprüfung hingegen die Vorgaben nicht erfüllt, dann werden die Aktivitäten zur Neukonstruktion der Geometrie und des Prozesses mit einem verfeinerten Entscheidungskriterium bei den Teilmodulen 120, 220, 240 und 250 erneut eingeleitet, bevor die Beurteilung des Strukturverhaltens für die gesamte Komponente abgeschlossen wird.
Später kann der Anwärter für die Gussteilkonstruktion und -prozesse fein abgestimmt werden, um die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Produkts zu optimieren, indem die DOE-Fähigkeit in den Modulen 100 und 200 genutzt wird und die DOE-Ausgabe mit den stochastischen Haltbarkeitsund Zuverlässigkeitsmodellen so gekoppelt werden, dass das System eine robuste Produkt- und Prozesskonstruktion mit minimalen Kosten bereitstellt. Bei einem weiteren Beispiel einer rechentechnisch effizienten Verwendung des Systems kann ein existierendes Produkt für eine Anwendung mit höheren Anforderungen beurteilt werden, etwa eine Version einer Kraftmaschine mit höherer Leistung. In einem derartigen Fall können die aktuelle Produktgeometrie, die Mikrostruktur und Defektbeschreibungen aus früheren Konstruktionsstudien zusammen mit den vorgeschlagenen neuen Betriebs- oder Testbedingungen 430 in das Strukturhaltbarkeitsmodell 400 eingegeben werden. Eine genaue Beurteilung der Machbarkeit der Verwendung der aktuellen Gussteilkonstruktion und des aktuellen Prozesses kann durchgeführt werden, bevor die Geometrie- und Prozessoptimierungsprogramme in den Modulen 100 und 200 ausgelöst werden. Wenn die aktuelle Produktgeometrie, Mikrostruktur und aktuelle Defektbeschreibungen von früheren Konstruktionsstudien nicht verfügbar sind, können sie auf effiziente Weise erzeugt werden, indem die existierenden Geometrie- und Prozessparameter in das System 1 eingegeben werden und die Optimierungsoptionen in den Modulen 100 und 200 nicht laufen gelassen werden, um eine neue Grundlinieneingabe für das Strukturhaltbarkeitsmodell 400 zu erzeugen. Aufgrund der modularen Natur des Verfahrens kann das System effizient verwendet werden, indem nur die Funktionen gewählt werden, die benötigt werden, um das anliegende Problem anzusprechen.
Wie vorstehend angegeben wurde, können Maßstabsfragen Probleme darstellen, wenn relativ große Komponenten modelliert werden (wie etwa ein Kraftmaschinenblock eines Kraftfahrzeugs). 6 zeigt im Detail, wie die verschiedenen Schritte, die mit dem Modul 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen und dem Strukturverhaltensmodul 400 verbunden sind, durch Spalten in einen von drei allgemeinen Maßstäben gruppiert werden, wobei der erste von diesen (Maßstab I) mit sehr kleinen Größen verbunden ist (beispielsweise Kristallstrukturen, Phaseneigenschaften, Ablagerungen oder dergleichen in Bereichen von bis zu 0,1 Nanometer), während der zweite (Maßstab II) mit ein wenig größeren Maßstäben verbunden ist (beispielsweise Porenformen, Faser/Dendrit-Morphologie, Eutektik oder dergleichen im Bereich von 1 Mikron bis 10 Millimeter) und der dritte (Maßstab III) mit Maßstäben auf Komponentenebene verbunden ist (beispielsweise Gussteildefekte im Makromaßstab, Fasern oder dergleichen, alle zwischen etwa 10 Millimeter und einem Meter).
Die Materialeigenschaften in dem sehr feinen Maßstab von Maßstab I werden zur Verwendung im Modul 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen extrapoliert, um die Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Funktionalität von Eigenschaften mit einem großen Maßstab in einer gesamten Gusskomponente im Strukturverhaltensmodul 400 zu bestimmen. Eine derartige Extrapolation wird benötigt, weil der kleinste Maßstab (Maßstab I) nur mit Mustern bis hin zu einer Größe von etwa 1 Mikrometer umgehen kann. Folglich muss das Gussteil in eine große Anzahl von Elementen mit kleinem Volumen unterteilt werden. Auch mit einem sehr kleinen Muster benötigt das Verfahren mit Maßstab I eine erhebliche Menge an Berechnungszeit (für eine 2-dimensionale Analyse einer Fläche von 1 mm² beispielsweise etwa eine Woche) um zu einer Lösung zu gelangen. Folglich würde es eine nicht realisierbare lange Zeit dauern, das gesamte Gussteil unter Verwendung des Verfahrens mit Maßstab I zu simulieren. Um dies zu überwinden, verwenden die gegenwärtigen Erfinder zunächst das Verfahren mit Maßstab I, um Eigenschaften von Materialien des kleinen Musters (bis zu 1 Mikrometer) mit verschiedenen Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen zu berechnen, die in einer tatsächlichen Gieß- oder Wärmebehandlungssituation möglicherweise auftreten können. Anschließend werden Korrelationen zwischen den Eigenschaften der Materialien und den Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen entwickelt, und dann werden die Korrelationen verwendet, um die Eigenschaften der Materialien eines beliebigen einzelnen Volumens (bis zu 1 Mikrometer Größe) auf der Grundlage der Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen, die das Volumen mit dem Maßstab I erfährt, zu berechnen. Auf diese Weise werden nur ein paar Sekunden oder Minuten an Berechnungszeit benötigt, um die Lösung für die Materialeigenschaften eines beliebigen kleinen Volumens (bis zu 1 Mikrometer) zu erzeugen. Mit diesem Wissen kann sich das Verfahren zu Maßstab II hin bewegen, bei dem die maximale Größe des Musters größer ist (zum Beispiel bis zu 10 Millimeter). Durch Unterteilen des Musters mit dem Maßstab II in viele winzige Volumen mit der Größe des Maßstabs I berechnet das Verfahren mit dem Maßstab II dann Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen für jedes einzelne Volumen mit dem Maßstab I. Auf der Grundlage der Gieß- und Wärmebehandlungsbedingungen für jedes Volumen mit dem Maßstab I können dann die Materialeigenschaften aller einzelner Volumen mit dem Maßstab I im Muster mit dem Maßstab II berechnet werden. Entsprechend kann die Beziehung zwischen den Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen und den Eigenschaften der Materialien für die Mustergröße mit dem Maßstab II entwickelt werden. Die Verwendung der Verfahren mit allen drei Maßstäben arbeitet zusammen, um ein Gussteil zu modellieren, in welchem die lokalen Eigenschaften und Defektgrundgesamtheiten innerhalb des Werkstücks signifikant variieren können, zu modellieren. Indem das Gussteil zuerst in die Größe im Millimetermaßstab (Maßstab II) unterteilt wird, wird ein globales Modell erzeugt. Simulationen mit VOF und Verfahren mit finiten Elementen (FEM), die in 6 als Teilmodul 340 gezeigt sind, können für Fluidströmungs- oder Temperatur- und Phasentransformationen geschaffen werden. Während oder nach einer Makrosimulation werden die Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen (Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Wasserstoffniveau, Temperatur oder dergleichen) für jedes Volumen mit dem Maßstab II bekannt. Dies ermöglicht dann die Berechnung der Eigenschaften der Materialien eines beliebigen Volumens mit dem Maßstab II innerhalb des Modells mit dem Maßstab III auf der Grundlage der entwickelten Korrelationen und der Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen, die das einzelne Volumen mit dem Maßstab II erfahren hat.
Bei dem großen Maßstab von Maßstab III werden verschiedene Codeformen (beispielsweise FEM, finite Differenzverfahren (FDM) oder VOF-Verfahren) verwendet, um Simulationswerkzeuge bereitzustellen, welche makroskopische Informationen über Verarbeitungsparameter bereitstellen, die unter anderem Temperatur, Geschwindigkeit, Druck und Spannungszustand umfassen. Andere Codeformen wie etwa Zellularautomaten (CA) und modifizierte Zellularautomaten (MCA) werden normalerweise als Berechnungsverfahren im Mesomaßstab betrachtet, während Ab-Initio- und Molekulardynamik(MD)-Werkzeuge verwendet werden, um Verfahren im Nanomaßstab bzw. Atommaßstab zu implementieren. Zwischencodeformen, wie etwa Phasenfeld (PF), können entweder im System des Maßstabs I oder des Maßstabs II verwendet werden. Folglich analysieren CA- und MCA-Verfahren Gussteildefekte und Mikrostrukturen, die die Porengröße und Morphologie, Dendritenfasern und eutektische Partikel umfassen, für Bereiche im Maßstab II.
Die Vorhersagen des Moduls 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen werden integriert und auf die endgültige Werkstückgeometrie abgebildet, sodass lokale Variationen bei der Mikrostruktur, der Festigkeit und der Defektgrundgesamtheit in den nachstehend beschriebenen Strukturverhaltensbeurteilungen berücksichtigt werden können. Es ist wichtig, dass es die vorliegende Erfindung durch Vermeiden der zu stark vereinfachenden Annahme von einheitlichen Eigenschaften beim kleinsten Maßstab ermöglicht, dass Gussteilkonstrukteure und Entwickler den lokalen Einfluss von Defekten und Mikrostrukturen auf eine Gusskomponente im großen Maßstab genau vorhersagen, ohne dass sie eine nicht realisierbare unhandliche Menge an Computerverarbeitungszeit bei der Hochskalierung verwenden müssen. Bei der Betrachtung zuerst der Entwicklung und Integration der Werkzeuge in mehreren Maßstäben wird ein Verfahren im Maßstab I verwendet, um Materialeigenschaften des Musters (bis zu 1 Mikrometer) mit allen Arten von Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen zu berechnen, die in einer realen Gieß- oder Wärmebehandlungssituation vorkommen können. Die Validierung der Simulation und der Korrelationen im Maßstab I wurde unter Verwendung eines Testgussteils mit gut kontrollierten Erstarrungs- und/oder Wärmebehandlungsbedingungen durchgeführt, wonach die Korrelationen verwendet werden, um die Eigenschaften von Materialien eines beliebigen Einzelvolumens (bis zu einer Größe von 1 Mikrometer) auf der Grundlage der Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen zu berechnen, der das Volumen im Maßstab I ausgesetzt ist. Auf diese Weise werden nur ein paar Sekunden oder Minuten an Berechnungszeit benötigt, um die Lösung für die Materialeigenschaften eines beliebigen kleinen Volumens (bis zu 1 Mikrometer) zu erhalten, da eine umfassende (und zeitraubende) Simulation im Maßstab I nicht laufen gelassen werden muss.
Von dort aus kann der Maßstab II eingeleitet werden, wobei das Muster im Maßstab II in viele winzige Volumina mit einer Größe des Maßstabs I unterteilt wird, sodass das Verfahren im Maßstab II Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen für jedes der einzelnen Volumina im Maßstab I berechnet. Dies ermöglicht, dass die Eigenschaften von Materialien von allen den einzelnen Volumina mit dem Maßstab I im Muster mit dem Maßstab II unter Verwendung der Beziehungen berechnet werden, die für den Maßstab I entwickelt wurden, ohne dass eine tatsächliche Simulation im Maßstab I laufen gelassen wird. Folglich kann die Beziehung zwischen den Gieß- oder Wärmebehandlungsbedingungen und den Eigenschaften von Materialien für das Muster mit der Größe des Maßstabs II entwickelt werden. Auf ähnliche Weise kann ein beliebiges einzelnes Volumenelement im Maßstab III in viele Volumenmuster im Maßstab II unterteilt werden. Die Eigenschaften von Materialien eines beliebigen einzelnen Volumenmusters im Maßstab II können auf der Grundlage der entwickelten Beziehungen schnell berechnet werden, ohne die Simulation im Maßstab II wirklich ablaufen zu lassen. Wie bei dem Maßstab I werden VOF- & FEM-Simulationen im Teilmodul 340 für Fluidströmung, Erstarrung oder Wärmebehandlung mit gegebenen Bedingungen der Legierungs- und Schmelzqualität (beide als Teil der Wissensbasen 102, 202 der in 2 bzw. 3 dargestellten Expertensysteme 101 und 201 gezeigt), der Gussteil/Angussgeometrie 20, der Gießverfahrensparameter 200-1 (wie in 1A gezeigt), 200-1B (wie in 1B gezeigt) oder der Wärmebehandlungsparameter 200-2 durchgeführt. Während oder nach einer Makrosimulation werden die Strömungsgeschwindigkeit, der Druck, das Wasserstoffniveau, die Temperatur und ähnliche Werte für jedes Volumen im Maßstab II festgelegt. Dies ermöglicht die Berechnung der Gussteildefekte oder Fasergrößen 310 im Makro-/Meso-Maßstab. Inzwischen werden die berechnete Strömungsgeschwindigkeit, der Druck, das Wasserstoffniveau, die Temperatur und andere Informationen jedes Volumens im Maßstab II in dem CA/MCA/PF-Teilmodul 350 als Grenzbedingungen für die Mikro-Teilmodule 321, 325, 331 verwendet, die verwendet werden, um (unter anderem) die Mikroporosität, DAS, oder die eutektische Partikelstruktur zu berechnen, wonach die lokalen mechanischen Eigenschaften jedes Volumens im Maßstab II im Teilmodul 420B berechnet werden können. Auf ähnliche Weise werden die berechnete Strömungsgeschwindigkeit, der Druck, das Wasserstoffniveau, die Temperatur und andere Informationen jedes Volumens im Maßstab I im Teilmodul 360 als Grenzbedingungen für die PF/MD/Ab-Initio-Simulation 328 und 334 verwendet. Die Kristallstruktur und die Ablagerungen im Nanomaßstab können somit in den Teilmodulen 328, 334 berechnet werden, wonach im Teilmodul 420C die Streckgrenze und die Festigkeitssteigerung durch Härten jedes Volumens im Maßstab I berechnet werden kann. Die berechnete Streckgrenze kann ferner für eine genaue Vorhersage der lokalen Zugspannungs- und Ermüdungseigenschaften im Teilmodul 420B verwendet werden. Daraus können im Teilmodul 420A die lokalen mechanischen Eigenschaften der gesamten Gusskomponente berechnet werden. Die Haltbarkeitsanalyse der gesamten Gusskomponente kann dann im Teilmodul 440 auf der Grundlage der Ausgabe der globalen Eigenschaften plus der Eingabe von einer gegebenen Last und einem Spannungszustand im Teilmodul 430 geschätzt werden. Eine Zuverlässigkeitsschätzung im Teilmodul 460 kann für die gesamte Grundgesamtheit einer gegebenen Gusskomponente, die in einer gegebenen Flottenanwendung verwendet wird, durch eine statistische Behandlung der Haltbarkeitsanalyse, die aus dem Teilmodul 440 ausgegeben wird, durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Monte-Carlo-Simulation mit variierenden Betriebslasten laufen gelassen werden, um die Garantiekosten für die gewählte Gussteilkonstruktion und das gewählte Gießverfahren zu bestimmen.
Wieder speziell mit Bezug auf 4B ist es zum Erhalten einer genauen Vorhersage der Reaktion der Gusskomponente auf Belastung bevorzugt, jede Mikrostrukturkomponente mit Bezug auf die Festigkeit, Größe, Form und Schnittstellen zwischen den Komponenten darzustellen, sowie die Wahrscheinlichkeit eines Defekts mit einer gegebenen Größe und einem gegebenen Typ, der an dieser Stelle vorhanden ist. Das Wechselspiel zwischen den Maßstäben erfordert die Schaffung einer genauen Darstellung der physikalischen Interaktionen zwischen den Systemkomponenten. Beispielsweise werden die eutektische Partikel und Ablagerungen als Ausgaben für sowohl die Mikrostrukturen 320 im Gusszustand als auch die Mikrostrukturen 330 im wärmebehandelten Zustand (von 4B bzw. 4C) gezeigt, weil die Wärmebehandlung die Größe, die Form und den Volumenanteil von eutektischen Phasen beeinflusst, während die Dendrite als Ausgaben enthalten sind, um den Effekt der Diffusion auf die Verteilung von Ablagerungen im Nanomaßstab nach der Wärmebehandlung zu berücksichtigen. Auf ähnliche Weise ist die Aufnahme von Mikroporositätsdefekten 323 (vorhergesagt von Verfahren, die in den Maßstäben I und II arbeiten) notwendig, um die Auswirkung des Vorhandenseins, der Größe, des Streckungsgrads und der volumenbezogenen Anzahl dieses Defekttyps auf die Reaktion der Komponente auf Belastung vollständig darzustellen. Weitere Details der Mikroporositäts-Vorhersageverfahren werden im Folgenden erörtert.
Die vorstehend erörterten CA können verwendet werden, um Porenvolumenanteile und Porengrößen bei verschiedenen Prozessbetriebsbedingungen vorherzusagen. Diese können dann korreliert werden, um eine Gleichung für eine maximale Porenlänge zu erzeugen. Innerhalb eines Makromodells eines vollständigen Gussteils werden dann Regressionsgleichungen angewendet, die eine vereinfachte Anwendung von CA auf ein großes Modell ermöglichen. Ein derartiger Ansatz ermöglicht die Integration von Berechnungsverfahren in mehreren Maßstäben. Die Mikroporosität kann auch unter Verwendung integrierter interdendritscher Strömungs- und Porenwachstumsmodelle modelliert werden, um den Effekt sowohl des Schwunds als auch der Wasserstoffdiffusion zu berücksichtigen. Zudem verbessert die Verwendung vorhergesagter Oxidpartikel im flüssigen Aluminium nach dem Füllen der Gussform als Orte mit mikroporöser Kernbildung gemäß der vorliegenden Erfindung die Genauigkeit insofern, als eine Anzahl von Gasporen-Kernbildungskeimen im flüssigen Aluminium nicht willkürlich angenommen werden muss.
Wieder mit Bezug auf 4C ist der Effekt der Wärmebehandlung auf Vorhersagen 330 für Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben der Komponente im Gusszustand gezeigt. Wie bei der Ausgabe, die in 4B für die Mikrostrukturen im Gusszustand gezeigt ist, sind die eutektischen Partikel und Ablagerungen (unter anderem) als Ausgaben für die wärmebehandelten Mikrostrukturen gezeigt, obwohl in diesem Fall die Wärmebehandlung die Größe, die Form, und den Volumenanteil der eutektischen Phasen beeinflusst. In einigen Situationen wird eine Gusskomponente wärmebehandelt, wobei der Anguss und die Steigleitungen noch befestigt sind, während die Gusskomponente in anderen Situationen teilweise maschinell bearbeitet wurde, wobei der Anguss und die Steigleitungen vor der Wärmebehandlung entfernt worden sind. Somit ist die Basis für eine derartige Geometrie die Entscheidung der Gussteilkonstruktionsausgabe 120 (in 1A und 1B dargestellt), die modifiziert wird, um die tatsächlichen Prozessbedingungen wiederzugeben. Bei einem Beispiel kann die Zusammenarbeit zwischen den Teilmodulen 200-2, 230 und 250 verwendet werden, um einen Kraftmaschinenblock zu modellieren, bei dem ursprünglich eine Wärmebehandlung mit noch daran befestigter Steigleitung geplant war. Ein Analyseergebnis von 200-2 und 230 kann vorhersagen, dass eine hohe Restspannung nach dem Abschrecken zum Reißen des Werkstücks vor irgendwelcher Betriebsbelastung führen kann. Ein derartiges Ergebnis würde am Entscheidungspunkt bei dem Teilmodul 250 von 1A und 1B zu einer Ausgabe von „NEIN“ führen. In Ansprechen darauf würde das System 1 veranlassen, dass das Modell geprüft wird, um anzuzeigen, dass es bevorzugt wäre, die Steigleitung als Teil des Wärmebehandlungs-Optimierungsprozesses, der im Teilmodul 200-2 (wie ebenfalls in 1A gezeigt ist) gezeigt ist, vor der Wärmebehandlung abzuschneiden.
Mit Bezug speziell auf 6 werden anfängliche Simulationen im Mikromaßstab mit CA/MCA/PF-Verfahren im Teilmodul 350 und Simulationen im Nanomaßstab mit PF/MD/Ab-Initio-Verfahren im Teilmodul 360 separat durchgeführt. Wie vorstehend angegeben wurde, kann anfänglich ein Testgussteil verwendet werden, um diese Modelle zu kalibrieren. Die Informationen aus den Simulationen in den Teilmodulen 350 und 360 werden dann in jeweilige Korrelationsmodelle in den Teilmodulen 321, 325, 331 und 328, 334 eingespeist, sodass die Mikrostrukturbestandteile im kleineren Maßstab einer beliebigen realen Gusskomponente simuliert werden können, indem die lokalen Erstarrungs- und/oder die Wärmebehandlungsbedingungen der Komponente verwendet werden, welche unter Verwendung von VOF- und FEM-Verfahren im Makromaßstab des Teilmoduls 340 berechnet werden können. Die Grenzbedingungen für das Modell im nächst kleineren Maßstab stammen aus der Ausgabe des nächst größeren Modells; die CA/MCA/PF-Verfahren des Teilmoduls 350 stützen sich auf die Zeit-Temperatur-Eingabe vom VOF- und FEM-Modell des Teilmoduls 340, um zu simulieren, wie das Metall in einem kleinen Volumen erstarren wird. Die Modelle im Nanomaßstab dessen, wie Atome Ablagerungen im CA/MCA/PF-Volumen bilden, hängen vom Temperaturverlauf der äu-ßeren Umgebung (über das VOF- und FEM-Modell 340) und den Anfangsbedingungen des festen Gussteils ab, die von dem CA/MCA/PF-Modell 350 im Mikron-Maßstab erzeugt werden. Dies stellt nicht nur die Genauigkeit von Berechnungen unterhalb des Maßstabs sicher (indem Kristallstrukturen, Phaseneigenschaften und Ablagerungen in eine anschließende Extrapolation auf einen größeren Maßstab aufgenommen werden), sondern hält auch die Simulationszeit einer realen Gusskomponente (etwa eines Kraftmaschinenblocks oder eines Zylinderkopfs) auf einer verwaltbaren Dauer (beispielsweise innerhalb einer Woche).
Ein derartiges handhabbares Berechnungsniveau ist erreichbar, weil das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Erstarrung jeder interessierenden Stelle in der Komponente im Mikronmaßstab nicht jedes Mal, wenn ein neues Werkstück simuliert wird, modellieren muss und dann vorhersagen muss, wie sich die Atome während des Wärmebehandlungsprozesses selbst neu anordnen. Dies wird durch eine Feinabstimmung der Modelle erreicht, sodass alles, was benötigt wird, um eine gute Vorhersage zu machen, der Temperatur-, Geschwindigkeits- und Druckverlauf und die Zusammensetzung an einer gegebenen Stelle ist. Ein derartiger Ansatz stellt sicher, dass ein vollständiger Konstruktions- oder Entwicklungskreislauf verwendet wird, wodurch ermöglicht wird, dass vorhergesagte Eigenschaften verwendet werden können, um die Gussteilkonstruktions- und Prozessoptimierung von den Modulen 100 und 200 auf der Grundlage einer genauen Charakterisierung der Materialeigenschaften vom kleinsten Maßstab bis zum größten zu modifizieren.
Die anfänglichen Anforderungen 20, 30 an die Geometrie und die Eigenschaften des Produkts werden als Eingabe in der Form von Gussteil-, Anguss- und Gussform-Geometriemodellen in das VOF- und FEM-Teilmodell 340 verwendet, das Teil des Moduls 300 zur Vorhersage vorhergesagter Defekte in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen ist. Auf ähnliche Weise werden die Legierungszusammensetzungen und die Schmelzqualität aus den Wissensbasen 102, 202 der Expertensysteme 101, 201 von 2 bzw. 3, die Gießverfahren-Parametereingabe 200-1 und 200-4 und die Wärmebehandlungs-Parametereingabe 200-2 in das gleiche Teilmodul eingegeben, das zur Simulation der Prozesse zum Füllen der Gussform und zum Erstarren des Gussteils verwendet wird. Derartige Informationen werden außerdem (über das VOF- und FEM-Teilmodul 340, um zunächst Verteilungen im Makromaßstab der Temperatur, des Drucks und ähnlicher Größen im gesamten Gussteil zu erhalten) in die Teilmodule auf Mikro-Ebene und Nano-Ebene CA/MCA/PF 350 und PF/MD/Ab-Initio 360 eingegeben, die Teil des Moduls 300 in mehreren Maßstäben der vorhergesagten Defekte in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturverteilungen sind.
Wieder mit Bezug auf 5 können genaue globale Eigenschaftenvorhersagen 420A erst gemacht werden, wenn die Defektgrundgesamtheit im Makromaßstab und Mikromaßstab mit genauen Vorhersagen der Festigkeit im Makro-/Mesomaßstab gekoppelt ist. Im Fall der Vorhersage der Ermüdungslebensdauer ist die bloße Behandlung von nur einem Typ eines Defekts im Mikromaßstab (beispielsweise Mikroporosität) unzureichend, um den Grund von Ermüdungsrissen korrekt zu beurteilen. Stattdessen behandelt die vorliegende Erfindung einen weiteren Bereich physikalisch relevanter Defektzustände vom Makromaßstab (wie etwa Leerräume, die durch Kerngas erzeugt wurden) bis zum anderen Extrem eines defektfreien Metalls an einer speziellen Stelle, die Spannungen ausgesetzt ist. Das Berücksichtigen von Interaktionen zwischen Oxid-Bifilmen, gelöstem Wasserstoff und Erstarrungsbedingungen ermöglicht eine sogar noch genauere Vorhersage der Mikroporositäts-Größenverteilung, statt auf empirische Modell zu vertrauen, welche die signifikanten Effekte von Oxid-Bifilmen auf die Stelle und die maximale Größe von Poren übersehen. Mit speziellem Hinblick auf die Beurteilung der Vorhersage von Zugspannungsbrüchen (als Teilmodul 400B des Strukturverhaltensmoduls 400 gezeigt) kann das Vertrauen auf das Vorhersagen der Streckgrenze der dendritischen Komponenten der Mikrostruktur, ohne den gro-ßen Volumenanteil der Struktur in Betracht zu ziehen, die ein Verbund aus eutektischen Partikeln und Matrixmaterial mit einer anderen Ablagerungsverteilung ist als derjenigen der Dendrite, die Genauigkeit der Systemantwort begrenzen. Die vorliegende Erfindung spricht die Verbundnatur der Gussmikrostruktur an, indem sie die vorhergesagte Festigkeit der einzelnen Komponenten sowie das Verhalten der Schnittstellen dazwischen integriert, um die Systemantwort besser darzustellen. Da ein Zugspannungsbruch sogar unter 0,2% der Streckgrenze beginnt, wenn die eutektischen Partikel reißen oder sich aus der Matrix lösen, muss die Zugspannungsfestigkeitsvorhersage die Größe und Form im Mikromaßstab der eutektischen Partikel sowie das Verhalten im Nanomaßstab an der Partikel-Matrix-Schnittstelle berücksichtigen. Dies verringert Fehler, die andernfalls entstehen können, indem der Anfang eines Zugspannungsbruches in der Gussmikrostruktur ungenau dargestellt wird.
Vorhersagen der Kriechdehnung (wie nachstehend in größerem Detail erörtert und als Teilmodul 400C gezeigt ist) können auch eine wichtige Determinante des Komponentenverhaltens sein, nicht nur für Komponenten, die großen Temperaturzyklen ausgesetzt sind (etwa ein Kraftfahrzeugzylinderkopf), sondern auch für verschraubte oder Presspassungsfügestellen, die ihre Klemmlast verlieren, wenn das Metall kriecht. Ein Verlust der Klemmlast kann den Verlust einer Dichtungsfunktion verursachen und einen Verschleiß, wenn sich Teile an der losen Fügestelle relativ zueinander bewegen.
Das Teilmodul 420 für Defekte und mikrostrukturabhängige mechanische Eigenschaften ist in 6 in größerem Detail als ein Teilmodul 420A für globale Eigenschaften, ein Teilmodul 420B für Zugspannung/Kriechdehnung/Ermüdung und Verteilungshärtungseigenschaften und ein Teilmodul 420C für eine Streckgrenze/Festigkeitssteigerung durch Härten gezeigt. Wie vorstehend erörtert wurde, empfangen die mechanischen Eigenschaften jeweilige Eingaben von den Makro-/Meso-Teilmodulen 310, den Mikro-Teilmodulen 321, 325, 331 und den Nano-Teilmodulen 328, 334 des Moduls 300 in mehreren Maßstäben. Wieder mit Bezug auf 1A und 1B sind die Restspannung- und Verzerrungsvorhersagen 230 und die Betriebs-/Testbedingungen 230 so gezeigt, dass sie in die Teilmodule 440 der Haltbarkeitsanalyse und 460 der Zuverlässigkeitsanalyse des Strukturverhaltensmoduls 400 eingegeben werden. Die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften 10 der Materialien, die für die Simulation in mehreren Maßstäben benötigt werden, sind als Eingabe an das VOF- und FEM-Teilmodul 340, das CA/MCA/PF-Teilmodul 350 und das PF/MD/Ab-Initio-Teilmodul 360 gezeigt.
Nach jeder Simulation können Ergebnisse von Makro- und Mikrodefekten auf eine quantitative Weise vorhergesagt werden. Anders als gegenwärtig kommerziell erhältliche Vorhersagewerkzeuge kann der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendete Code quantitative Vorhersagen von Gussteildefekten (Volumenanteil, Größen und volumenbezogene Anzahl) in der gesamten Gusskomponente geben. Für jede Stelle im Gussteil kann eine Liste von Defekttypen, deren Vorhandensein vorhergesagt wird, deren Größen und die Wahrscheinlichkeit, dass sie vorhanden sind, erzeugt werden. Beispielsweise wird der Fluidströmungsabschnitt 312 des Gussteilmodells Vorhersagen der Größe, der Anzahl und der Stellen von Bifilmen, die aufgrund der turbulenten Metallströmung gebildet werden, welche in 4A als Oxid-Bifilme gezeigt sind, zusätzlich zum Volumen und den Stellen eingeschlossener Gase und gefangener Gase 314 ausgeben. Der Temperaturverlauf und der statische Druck des Metalls um Kerne herum wird verwendet, um die Ausbildung von Kerngasblasen 315 vorherzusagen und wo sie im Fall, dass sie das Metall durchdringen, wahrscheinlich anzutreffen sind. Die Porositätsvorhersagen für die Mikroporosität, die während der Erstarrung gebildet wird, würden die maximale Größe und den Volumenanteil an verschiedenen Stellen im Gussteil 323 enthalten. Die durch eine Anzahl verschiedener Modelle vorhergesagten Defekte werden auf die endgültige Werkstückgeometrie abgebildet, sodass Haltbarkeits- und Zuverlässigkeitsbeurteilungen unter den Teilmodulen 440 bzw. 460 durchgeführt werden können.
Wieder mit Bezug auf 1A können mit dem Modul 200 zur Prozessmodellierung und Optimierung des Gussteils die Gießverfahrensparameter, wie etwa die Metalltemperatur, das Schmelzfüllprofil, Gussformmaterialien, der Kokillenort oder dergleichen auf minimale Gussteildefekte optimiert werden. Bei einer zusätzlichen Unterscheidung gegenüber kommerziellen Softwarepaketen wie etwa denjenigen, die vorstehend erwähnt wurden, haben die gegenwärtigen Erfinder das Modul 200 so entwickelt, dass es verschiedene Gussteildefekte wie etwa Mikroporosität, Kerngas, Oxide, Spritzer, Lunker, Bifilme oder dergleichen vorhersagt. Dieses Modul 200 wählt und optimiert (unter Verwendung der Wissensbasis 202 von 3) außerdem die Wärmebehandlungs- und maschinellen Bearbeitungsprozesse 200-2, 200-3, um Restspannungen, Verzerrung und Fertigungskosten zu minimieren.
Wieder mit Bezug auf 4A bis 4C in Verbindung mit 6 simuliert das Modul 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen Grundgesamtheiten von Defekten und Mikrostrukturbestandteile in jedem Knoten der Komponente, die modelliert wird, und sagt diese vorher. Ein Teil davon umfasst, dass im Makromaßstab-Teilmodul 310 (d.h. im Millimetermaßstab) statische (Temperatur, Druck, Lösungskonzentration) und dynamische (Geschwindigkeit) Eigenschaften jedes Knotens im gesamten Gussteil berechnet werden. Diese Informationen werden im Makromaßstab 310 verwendet, um die Gussteildefekte im entsprechenden Maßstab zu berechnen (etwa Porosität, Oxide, Kerngas, Bifilme oder dergleichen) und in Mikro/Meso 320, um Defekte im Mikromaßstab (wie etwa Mikroporosität und Mikrostrukturmerkmale (wie etwa DAS) und Fasergröße) für jeden Knoten im gesamten Gussteil zu berechnen. Die berechneten Gussteildefektinformationen werden dann sowohl in das Mikro-Teilmodul 320 als auch das Nano-Teilmodul 330 in den vorhergesagten Verteilungen 300 von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen eingespeist. Im Mikro-Teilmodul 320 werden die detaillierten Mikromerkmale (wie etwa Porosität/Oxidmorphologie, Faser- und Dendrit-Morphologie und Größe und Form eutektischer Partikel) auf der Grundlage von Mikromodellen berechnet, die im Teilmodul CA/MCA/PF 350 erzeugt wurden. Die im Mikro-Teilmodul 320 verwendeten Mikromodelle werden mit allgemeinen experimentellen Daten aus gut kontrollierten Testgussteilen kalibriert. Auf ähnliche Weise ist das Nano-Teilmodul 330 so ausgestaltet, dass die detaillierten Mikrostrukturmerkmale im Nanomaßstab (wie etwa Kristallstruktur, Phaseneigenschaften, Größe und Form von Ablagerungen) auf der Grundlage der Nanomodelle, die in PF/MD/Ab-Initio 360 entwickelt wurden, und der Wärmebehandlungsbedingungen, die in der Wärmebehandlung 200-2 bereitgestellt wurden, berechnet werden. Die im Nano-Teilmodul 330 verwendeten Nanomodelle werden ebenfalls mit allgemeinen Daten vom Testgussteil kalibriert. Es wird auch angemerkt, dass die im Nano-Teilmodul 330 berechneten Eigenschaften im Nanomaßstab bei Berechnungen im Mikromaßstab im Mikro-Teilmodul 330 verwendet werden können. Die vorhergesagten Mikrostrukturmerkmale in mehreren Maßstäben sind für Vorhersagen der Materialeigenschaften und des Strukturverhaltens. Die im Nano-Teilmodul 330 vorhergesagten Merkmale im Nanomaßstab sind hauptsächlich zur Streckgrenzenvorhersage unter Verwendung von Ablagerungshärtungsmodellen im Teilmodul 420C für Streckgrenzen/Festigkeitssteigerung durch Härten. Die Merkmale im Nanomaßstab werden in Kombination mit Merkmalen im Mikromaßstab, die im Mikro-Teilmodul 320 vorhergesagt werden, auch bei der Vorhersage von Zugspannungs- und Ermüdungseigenschaften eines defektfreien Materials aus dem Teilmodul 420B für Zugspannungs-/Kriechdehnung-/Ermüdungs-Verteilungshärtungseigenschaften verwendet. Da die Informationen im Makromaßstab die Porosität und DAS betreffen, können die Zugfestigkeits- und Ermüdungseigenschaften von Materialien, die Defekte enthalten, etwa in dem Teilmodul 420A für die globalen Eigenschaften vorhergesagt werden. Mit den vorhergesagten lokalen Materialeigenschaften und der Belastungsspannung aus dem Teilmodul 430 für die Analyse des Spannungszustands im Betrieb und dem Teilmodul 230 für Restspannungen und Verzerrung können das lokalen Materialverhalten und Fehlerwahrscheinlichkeiten für die gesamte Komponente berechnet werden.
Die vom Modul 300 vorhergesagten Verteilungen von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen werden dann im Strukturverhaltensmodul 400 verwendet, um knotenbasierte mechanische Eigenschaften sowie die Haltbarkeit der modellierten Komponente vorherzusagen, wenn der Spannungszustand bekannt ist. Verschiedene Schritte, welche Vorhersagen der Restspannung und Verzerrung 230, der mechanischen Eigenschaften 420, des Spannungszustands 430 im Betrieb und der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit 440 umfassen, werden verwendet, um Komponentenverhaltensindizien zu erreichen. Ein Entscheidungsbaum oder ein ähnliches Logikelement wird verwendet, um festzustellen, ob die vorhergesagten Eigenschaften und die Haltbarkeit einen vorbestimmten Satz von Anforderungen (etwa Kundenanforderungen 450) erfüllen; wenn dies zutrifft, dann legt sich das System 1 auf das modellierte Produktgussteil als optimal fest und übermittelt diese Informationen an eine geeignete Datei, einen geeigneten Datensatz oder eine ähnliche Form der Ausgabe. Andernfalls werden die Informationen an eine Produktgeometrieneukonstruktion 115 gesandt, die in das Gussteilkonstruktionsmodul 100 zur Modifikation eines oder mehrere der verschiedenen Fertigungsprozesse eingespeist werden kann, etwa Gießen, Wärmebehandlung und maschinelle Bearbeitung.
Hinsichtlich der Mikroporosität haben die gegenwärtigen Erfinder entdeckt, dass es anstelle eine empirische Gleichung auf der Grundlage des Dendritenabstands zu verwenden, vorzuziehen ist, eine korrekte physikalische Beschreibung der Weise, in der sich Poren ausbilden, aufzustellen, um eine genauere Vorhersage der größten Poren zu ermöglichen. Dies umfasst, dass der Effekt verschiedener Mengen von Wasserstoff, der im Metall gelöst ist, in den Porositätsbildungsprozess mit aufgenommen wird, sowie, dass Oxid-Bifilme in der Flüssigkeit berücksichtigt werden, die günstige Stellen für den Wasserstoff bereitstellen, um zur Erzeugung von Poren die Lösung zu verlassen. Bei der Werkstückproduktion kann die Menge an Wasserstoff im flüssigen Aluminium um den Faktor zwei variieren. Die Behandlung von Wasserstoff im Porenwachstumsmodell der vorliegenden Erfindung wird, obwohl sie analog zu früheren Diffusionsmodellen ist, bedeutenderweise sowohl mit Porenwachstum durch Wasserstoffdiffusion als auch mit dem Schwund von flüssig zu fest während der Simulation der Mikroporosität gekoppelt, wohingegen frühere Modelle die zwei Mechanismen separat behandelt haben, was verursacht, dass die Porengrößen unterschätzt werden. Auch bei der Berücksichtigung der Wasserstoffniveaus sollte die Betrachtung von Oxid-Bifilmen als einem Faktor bei der Vorhersage der Größe der größten Poren in Betracht gezogen werden, wobei Porengrößen signifikant größer sein können (beispielsweise um einen Faktor von drei bis zehn), wenn ein Oxidfilm vorhanden ist. Die Oxide erzeugen eine brauchbare Stelle, damit die Wasserstoffatome aus der Lösung treten, wobei sich der Wasserstoff ansammelt und die Bifilme auseinander drückt, um einen günstigen Platz für den Beginn eines Risses bereitzustellen. Eine Porengrößenvorhersage, welche die Effekte von Oxidbifilmdefekten ignoriert, wird die potentielle Auswirkung dieses Defekts, der signifikante Begrenzungen für das Verhalten des Werkstücks auferlegen kann, unterschätzen.
Zusätzlich zur Berücksichtigung der Effekte des Wasserstoffniveaus und der Oxid-Bifilme, die eine brauchbare Stelle zur Anlagerung des Wasserstoffs und zur Erzeugung einer größeren Pore bereitstellen, können die Modelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, verwendet werden, um vorherzusagen, wo Oxid-Bifilme, die gebildet werden, wenn das Metall in den Gussformhohlraum stürzt, am wahrscheinlichsten konzentriert werden, und zusätzlich, wie viele es sind. Eine derartige Vorhersage kann bei der Gussteiloptimierung nützlich sein. Insbesondere kann ein Optimieren der Geometrie der Angusskanäle und des Gussteils die Menge der Oxid-Bifilme verringern, die beim Füllen der Gussform gebildet werden. Eine derartige Optimierung trägt zur Verhinderung anschließender Lecks und Risse im Werkstück bei.
Zusätzlich zur Berücksichtigung von Oxid-Bifilmen sollte das Kerngas berücksichtigt werden. Kerngasblasen bilden sich, wenn das flüssige oder polymere Bindemittel, das einen Sandkern zusammenhält, um ein Loch oder einen Durchgang im endgültigen Werkstück auszubilden, erwärmt wird, und anfängt, auszugasen oder sich thermisch zu zersetzen. Wenn der Kern von Metall umgeben ist, (etwa in einer Öldurchgangsleitung) kann es für die Gasblase leichter sein, aus dem Sandkern durch das Metall zu entweichen, als in den Sand um die Außenseite des Gussteils hinein zu entweichen. Eine derartige Kerngasblase kann drei Probleme verursachen. Erstens kann sie im Werkstück gefangen werden, wodurch die beabsichtigte Struktur durch einen gasförmigen Leerraum verdrängt wird. Zweitens kann die Kerngasblase, wenn sie sich auf einer Oberfläche oder unter einer Oberfläche bildet, die anschließend maschinell bearbeitet wird (beispielsweise am Kopfdichtungsbereich), Dichtungsprobleme sowie die Zurückweisung des Werkstücks bei einer anschließenden Qualitätssicherungsprüfung verursachen. Drittens hinterlässt die Blase eine nahezu kontinuierliche Spur aus Oxiden in ihrem Kielwasser, die Wasserstoff dazu verleiten kann, aus der Lösung auszutreten, um eine aufgereihte Reihe von Löchern zu erzeugen, welche das Gussteil schwächen können.
Mit Bezug als nächstes auf 7 ist das System 1 bei einem Aspekt als ein Computer 500 oder ein ähnliches Datenverarbeitungsgerät ausgestaltet. Der Computer 500 enthält (unabhängig davon, ob er als eine autonome Vorrichtung, eine Workstation, ein Mainframe oder in einer anderen Form ausgestaltet ist) eine Verarbeitungseinheit 510 (die in der Form eines oder mehreren Mikroprozessoren vorliegen kann), eine oder mehrere Vorrichtungen zur Informationseingabe 520 (einschließlich einer Tastatur 520A, einer Maus 520B oder einer anderen Vorrichtung, wie etwa einem Spracherkennungsempfänger (nicht gezeigt) sowie einem Lagegerät 520C für optische Platten oder einem USB-Anschluss 520D), einen Anzeigebildschirm oder eine ähnliche Informationsausgabe 530, einen Speicher 540 und ein Mittel für computerlesbaren Programmcode (nicht gezeigt), um zumindest einen Teil der empfangenen Informationen mit Bezug auf die Aluminiumlegierung zu verarbeiten. Wie der Fachmann feststellt, kann der Speicher 540 in der Form eines Speichers mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 540A (auch Massenspeicher genannt, welcher für die temporäre Speicherung von Daten verwendet werden kann) und als Speicher zum Speichern von Anweisungen in der Form eines Festwertspeichers (ROM) 540B vorliegen. Zusätzlich zu anderen nicht gezeigten Eingabeformen (wie etwa durch ein Internet oder eine ähnliche Verbindung mit einer außerhalb liegenden Datenquelle) können das Ladegerät 520C für optische Platten oder der USB-Anschluss 520D als ein Weg zum Laden von Daten oder Programmanweisungen von einem von einem Computer nutzbaren Medium (wie etwa einer CD-ROM, Flashlaufwerken oder dergleichen) zu einem anderen (wie etwa dem Speicher 540) dienen. Wie der Fachmann feststellt, kann der Computer 500 als eine autonome (d.h. selbstständige) Einheit existieren oder er kann Teil eines größeren Netzwerks sein, wie etwa derjenigen, die man beim Cloud-Computing antrifft, wobei verschiedene Berechnungs-, Software-, Datenzugriffs- und Datenspeicherdienste an vollkommen verschiedenen physikalischen Orten liegen können. Eine derartige Aufspaltung der Computerressourcen beeinträchtigt nicht, dass ein derartiges Systems als Computer kategorisiert wird.
In einer speziellen Form entspricht das Mittel für computerlesbaren Programmcode dem einen oder den mehreren Modulen 100, 200, 300 oder 400, die in das ROM 540B geladen sein können. Ein derartiges Mittel für computerlesbaren Programmcode kann auch als Teil eines Produktionsartikels derart ausgebildet sein, dass die Anweisungen, die in dem Code enthalten sind, sich auf einer magnetisch lesbaren oder optisch lesbaren Platte oder einem anderen ähnlichen nicht vergänglichen maschinenlesbaren Medium befinden, wie etwa einer Flashspeichervorrichtung, einer CD-ROM, einer DVD-ROM, einem EEPROM, einer Diskette oder einem andern derartigen Medium, das zum Speichern von maschinenausführbaren Anweisungen und Datenstrukturen in der Lage ist. Ein derartiges Medium kann für einen Computer oder eine andere elektronische Vorrichtung zugänglich sein, welche eine Verarbeitungseinheit 510 aufweist, die zum Interpretieren von Anweisungen von dem computerlesbaren Programmcode der zahlreichen Berechnungsmodule 100, 200, 300 oder 400 verwendet wird. Wie der Computerfachmann versteht, kann ein Computer 500, der einen Teil des Systems 1 bildet, außerdem zusätzliche Chipsätze, sowie einen Bus und eine ähnliche Verdrahtung zur Übermittlung von Daten und ähnlichen Informationen zwischen der Verarbeitungseinheit 510 und anderen Vorrichtungen (wie etwa den vorstehend erwähnten Eingabe-, Ausgabe- und Speichervorrichtungen) enthalten. Nachdem das Mittel für Programmcode in das ROM 540B geladen wurde, wird der Computer 500 des Systems 1 zu einer Maschine für einen spezifischen Zweck, die ausgestaltet ist, um eine optimale Gusskomponente auf eine Weise zu bestimmen, wie hier beschrieben ist. Daten, die einer vorgeschlagenen Komponente entsprechen (zum Beispiel einem Kraftmaschinenblock aus einer Gussaluminiumlegierung) können in der Form einer Datenbank vorliegen, die im Speicher 540 gespeichert oder über die Eingabe 520 in den Computer 500 eingegeben werden kann. Auf ähnliche Weise können Gussteilkonstruktionsdaten und Regeln, wie etwa diejenigen, die in den verschiedenen Modulen ausgeführt sind, im Speicher 540 gespeichert oder über die Eingabe 520 in den Computer 500 eingegeben werden. Bei einem anderen Aspekt kann das System 1 nur der Anweisungscode (einschließlich desjenigen der verschiedenen Module 100, 200, 300 oder 400) sein, während das System 1 bei noch einem anderen Aspekt sowohl den Anweisungscode als auch ein computerlesbares Medium wie vorstehend erwähnt umfassen kann.
Der Fachmann wird auch feststellen, dass es andere Wege zum Empfangen von Daten und ähnlichen Informationen abgesehen von dem mit der Eingabe 520 dargestellten Ansatz der manuellen Eingabe gibt (speziell in Situationen, in denen große Mengen von Daten eingegeben werden), und dass ein beliebiges herkömmliches Mittel zur Bereitstellung derartiger Daten, um es der Verarbeitungseinheit 510 zu ermöglichen, damit zu arbeiten, im Umfang der vorliegenden Erfindung liegt. Folglich kann die Eingabe 520 auch in der Form einer Datenleitung mit hohem Durchsatz (einschließlich der vorstehend erwähnten Internetverbindung) vorliegen, um große Mengen an Code, Eingabedaten oder anderen Informationen in den Speicher 540 aufzunehmen. Die Informationsausgabe 530 ist ausgestaltet, um Informationen bezüglich des gewünschten Gussteilansatzes an einen Benutzer (wenn beispielsweise die Informationsausgabe 530 wie gezeigt in der Form eines Bildschirms vorliegt) oder an ein anderes Programm oder Modell zu übermitteln. Auf ähnliche Weise wird der Fachmann feststellen, dass die mit der Eingabe 520 und der Ausgabe 530 verbundenen Merkmale zur einer einzigen Funktionseinheit wie etwa einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) kombiniert werden können, wie etwa derjenigen, die in Verbindung mit einem Expertensystem im US-Patent 7,761,263 gezeigt und beschrieben ist, das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und dessen Inhalt hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Mit Bezug als nächstes auf 2 und 3 stellen sich die Erfinder vor, dass die Wissensbasen 102, 202 vorzugsweise eine maschinenlesbare Variante sind, die Wissen (beispielsweise Gussteilkonstruktionsdaten) wie gezeigt speichern kann. Mit spezieller Hinsicht auf 2 können die Daten in der Form eines Satzes von Regeln vorliegen, sodass ein Algorithmus (wie etwa derjenige, der in der Folgerungsmaschine 105 ausgeführt ist) verwendet werden kann, damit eine automatisierte Suche, eine Mustererkennung und Schlussfolgerungen auf die anfängliche Gussteilgeometrie, die Konstruktion des Anguss-/Steigleitungssystems und ähnliche Informationen angewendet werden können, um rechnergestützte Simulationen zur weiteren Optimierung durchzuführen. Derartige Merkmale sind beim Beilegen der Probleme, die mit den Aspekten in mehreren Maßstäben der modellierten Komponente verbunden sind, besonders vorteilhaft, wie nachstehend in größerem Detail erörtert wird. Das Expertensystem 101 ermöglicht die Produktion einer endgültigen Gussteilkonstruktion, welche die geometrische Darstellung von Modul 100 anzeigt, und einer Fertigungsprozedur, welche das Gießverfahren, die Wärmebehandlung und/oder die maschinelle Bearbeitung des Prozessoptimierungsmoduls 200 anzeigt. Das Expertensystem 101 enthält einiges nicht algorithmisches Fachwissen (das in der Wissensbasis 102 existieren kann, die „wenn-dann“-ähnliche Regeln oder ähnliche deklarative Darstellungen des Expertenwissens enthält) .
Nachdem Eingabedaten durch eine GUI 107 oder eine ähnliche Eingabevorrichtung in das System 1 eingegeben worden sind, kann das Gussteilkonstruktionsmodul 100 (sowie zumindest das Prozessoptimierungsmodul 200 wie nachstehend erörtert) als Expertensystem 101 wirken, um mit den verbleibenden Modulen 300 und 400 zum Erzeugen einer endgültigen Gussteilkonstruktion zusammenzuarbeiten. Zum Beispiel wird die anfängliche Produktgeometrie 20 in eine Geometrieanalysevorrichtung 103 eingegeben, welche die geometrischen Charakteristika des zu gießenden Produkts oder zu gießenden Komponente erzeugt. Modelldaten von der Geometrieanalysevorrichtung 103 werden in die vorstehend erwähnte Folgerungsmaschine 105 eingegeben, welche ausgelegt ist, um Gussteilkonstruktionen zu erzeugen, indem zuerst eine Wissensbasis 102 durchsucht wird, die Legierungseigenschaften, Gießverfahren, Anguss- und Steigleitungsdaten und Konstruktionsregeln enthält. Mit diesen führt sie Mustererkennungsoperationen durch und implementiert logische Prozesse. Darüber hinaus führt ein Prozesssimulations-Teilmodul 108 Prozesssimulationen mit den Gussteilkonstruktionen aus, die von der Folgerungsmaschine 105 erzeugt wurden, wobei ein Optimierungs-Teilmodul 104 die Gussteilkonstruktionen, die von der Folgerungsmaschine 105 erzeugt wurden, optimiert.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die anfängliche Produktgeometrie der Komponente, die analysiert werden soll, als ein CAD-Geometriemodell bereitgestellt, wobei Beispiele davon *.stl,- *.prt- oder *.x_t-Dateiformate umfassen, die von Unigraphics™ oder einem ähnlichen Code verwendet werden können. Im Gussteilkonstruktionsmodul 100 wird das anfängliche Geometriemodell von der Geometrieanalysevorrichtung 103 wie vorstehend erwähnt analysiert, um die Geometriecharakteristika (wie etwa die minimale Lochgröße, die minimale Wandstärke, die maximale Wandstärke, den geometrischen Modulus, dreidimensionale Abmessungen, Bearbeitungsoberflächen oder dergleichen) für die Gussteil- und Angusssystemkonstruktion zu bestimmen. Auf der Grundlage der in der Wissensbasis 102 enthaltenen Gussteilkonstruktionsregeln werden das Gussteil und das Angusssystem der Komponente grob konstruiert.
In einer Form kann die Folgerungsmaschine 105 einen datengetriebenen Vorwärtsverkettungsalgorithmus, der regelbasierten Systemen gemeinsam ist, dadurch implementieren, dass sie von verfügbaren Informationen ausgeht, entlang des Wegs neue Aussagen hinzufügt und dann versucht, Schlussfolgerungen in einer Weise zu ziehen, die effizienter als diejenige ist, die mit einer ressourcenintensiven Suche verbunden ist. Die Folgerungsmaschine 105 verwendet auch einen Regelsatz und eine Folgerungskomponente, wobei die letztere die Regeln auf der Grundlage des Zustands von Informationen im Arbeitsspeicher anwendet. Aus einer Logikflussperspektive empfängt die Folgerungsmaschine 105 Modelldaten (etwa von der anfänglichen Produktgeometrie 10) und einen Prämissensatz, der von der GUI 107 erzeugt wurde, welcher wiederum auf den Gussteilkonstruktionsvorgaben 106 beruht. Ein Ausführungszyklus der Folgerungsmaschine 105 umfasst eine logische „do-while“-Schleife, die sich selbst wiederholt, bis der Wert einer fraglichen Variable als wahr ermittelt wird, sodass eine endgültige Gussteilkonstruktion 120 erzeugt wird. Da die Konstruktion der Folgerungsmaschine 105 auf dem Regelsatz beruht, können Regelvorlagen geschaffen werden. Es kann auch eine objektorientierte Programmierung enthalten sein, um die Objektvererbung und Klassen zu ermöglichen, und gesammelte Konstruktionsprinzipien und gesammeltes Wissen kann in der Form dieser Vorlagen dargestellt werden. Die Werte anderer Boolescher Variablen können auf ähnliche Weise bestimmt werden. Eine Expertensystem-Shell (beispielsweise CLIPS (C Language Integrated Production System) oder ein ähnlicher effizienter Mustererkennungs-Rete-Algorithmus zur Implementierung von Konstruktionsregelsystemen) kann verwendet werden, um eine effiziente regelbasierte Mustererkennung und Zuwächse beim Leistungsgewinn bereitzustellen. Objektorientierte und prozedurale Programmierprotokolle, welche Modularität ermöglichen, fuzzy logic und ähnliche Mittel sind zusätzliche Vorteile einer CLIPSbasierten Expertensystem-Shell.
Die VOF-Simulation im Makromaßstab wird verwendet, um den Code zum Simulieren der Fluidströmung, des Wärmetransfers und der Gussteildefekte zu bauen. Diese VOF-Codierung kann entweder durch gut bekannte kommerzielle Mittel oder durch vergleichbare proprietäre Äquivalente erreicht werden. Die simulierten Mikrostrukturen im Mesomaßstab oder Nanomaßstab im Gusszustand werden dann der Wärmebehandlungsoptimierung durch die Aufgabe, das Werkzeug oder das Teilmodul 200-2 unterzogen. Bei der Wärmebehandlungsmodellierung und der Optimierung der Aufgabe, des Werkzeugs oder des Teilmoduls 200-2 wird die Restspannung und Verzerrung unter Verwendung eines FEM im Makromaßstab modelliert. Die wärmebehandelte Mikrostruktur (eutektische und insbesondere Ablagerungsstruktur) wird unter Verwendung eines Phasenfeldverfahrens im Nanomaßstab modelliert. Die durch den simulierten Wärmebehandlungsprozess der Aufgabe, des Werkzeugs oder des Teilmoduls 200-2 bestimmten Spannungsniveaus können verwendet werden, um Stellen mit einer Neigung zur Ausbildung von Rissen anzuzeigen. Nach der Wärmebehandlung wird die virtuelle Gusskomponente einer maschinellen Bearbeitung unterzogen, wie in der Aufgabe, dem Werkzeug oder dem Teilmodul 200-3 zur Modellierung und Optimierung der maschinellen Bearbeitung gezeigt ist. Der Bearbeitungsprozess wird unter Verwendung eines FEM im Makromaßstab zur Umverteilung von Restspannungen und Verzerrungen als ein Weg modelliert, um die Bestimmung einer Rissbildung und einer Dimensionsgenauigkeit des fertig gestellten bearbeiteten Produkts zu unterstützen. Insbesondere wird das virtuelle Gusskomponentenmodell auf eine knotenbasierte Zuordnung von Eigenschaften unter Verwendung von Eigenschaftenmodellen, die auf Mikromechanik beruhen, gekoppelt mit Gussteildefekten in mehreren Maßstäben und Mikrostruktur-Grundgesamtheiten analysiert. Wieder mit Bezug auf 1A, 1B und 6 wird die Haltbarkeit der virtuellen Gusskomponente im Teilmodul 440 auf der Grundlage der Spannung, die aus dem Betriebs-/Testbedingungs-Teilmodul 430, und dem Teilmodul 230 zur Vorhersage der Restspannung und Verzerrung hergeleitet wurde, und der zugeordneten mechanischen Eigenschaften der Teilmodule 420A, 420B und 420C unter Verwendung eines VOF- und FEM-Teilmoduls 340 im Makromaßstab analysiert.
Das Prozessoptimierungsmodul 200 von 3 kann die Folgerungsmaschine 205 und die Wissensbasis 202 als Teil eines Expertensystems 201 auf eine Weise verwenden, die derjenigen ähnelt, die in 2 für das Gussteilkonstruktionsmodul 100 dargestellt ist, um eine Prozesssimulation und -optimierung durchzuführen. Beispielsweise werden geometrische Daten vom virtuellen Gussteil des Gussteilkonstruktionsmoduls 100 auf Übereinstimmung mit einer geometrischen Konstruktionsregel von Gussteilfertigungsprinzipien analysiert, um eine geometrische Machbarkeit des Gussteilmodells mit Anguss/Steigleitungen und Legierungsverarbeitungsempfehlungen 20 zu bestimmen. Obwohl es eine Anzahl von Konstruktionsregeln mit Bezug auf die Gussteilgeometrie gibt, die bei der Gussteilkonstruktion eingehalten werden müssen, gibt es folglich bestimmte Begrenzungen einer derartigen Geometrie, wobei Beispiele dafür einen minimal gießbaren Lochdurchmesser, einen minimal gießbaren Radius, eine minimale Wandstärke oder dergleichen umfassen. Bei einer speziellen Form werden die simulierten Gussteildaten vom Gussteilkonstruktionsmodul 100 von einem Gussteilbewertungswerkzeug bewertet, das aus Prozessmodellierungswerkzeugen und Gussteildefekt-Vorhersagemodulen besteht; derartige Merkmale sind Teil der Prozesssimulationssoftware des Prozessoptimierungsmoduls 200, um die Ausbildung von Gussteildefekten zu bestimmen, die wiederum verwendet werden können, um die Machbarkeit der Gussteilkonstruktion zu bestimmen, die von dem Gussteilkonstruktionsmodul 100 erzeugt wird. Die GeometrieAnalysevorrichtung und/oder verschiedene Bewertungswerkzeuge (wie etwa ein Gussteilbewertungswerkzeug, ein Restspannungsbewertungswerkzeug und ein Bewertungswerkzeug für die maschinelle Bearbeitung) können für eine erste Schätzung der Gussteilkonstruktion eine Modifikation empfehlen, um die Fertigung in Situationen zu verbessern, bei denen die Gussteilkonstruktion nicht angemessen ist, auf der Grundlage von geometrischen Konstruktionsregeln für das Gussteil, des Potentials für Gussteildefekte, Rissbildung oder übermäßige Restspannung nach der Erstarrung oder dem Abschrecken, des Potentials zur Rissbildung bei der maschinellen Bearbeitung oder der Unfähigkeit, die geforderten Abmessungstoleranzen der fertiggestellten Komponente zu erfüllen. Mit anderen Worten umfasst ein erster Schritt bei der Herstellung eines optimalen Werkstücks auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung die Herstellung eines guten Gussteils. Um dies zu erreichen zielen die Anfangsschritte im Gussteilkonstruktionsmodul 100 auf das Erhalten eines praktikablen Rohentwurfs, der im Prozessoptimierungsmodul 200 verfeinert werden kann. Die verfeinerten Geometrie- und Prozessparameter von Modul 200 werden benötigt, um die Mikrostruktur- und Defekteingaben in das Modul 300 (d.h. das Mikrostrukturmodul) zur Vorhersagen von Gussteildefekten und Mikrostrukturen vorherzusagen, während die Vorhersagen von Modul 300 für Haltbarkeitsberechnungen im Produktverhaltensmodul 400 benötigt werden.
Die folgenden Absätze stellen Beispiele bereit, die zeigen, wie einige Defekte in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung berechnet werden können. Die theoretische Grundlage für Porenwachstumsmodelle besteht darin, dass das Porenwachstum durch die Rate gesteuert wird, mit der Wasserstoff an der Schnittstelle zwischen Pore/Flüssigkeit diffundiert. Diese Porenwachstumsmodelle wurden für die Mikroporositäts-Simulation entwickelt. Die Diffusionsgleichung (1) nachstehend gilt für ein spezifiziertes Materialvolumen, das eine kugelförmige Pore mit einem spezifizierten Anfangsradius umgibt. Während der Erstarrung in die flüssige Phase abgesonderter Wasserstoff wird durch den Quellenausdruck S_H dargestellt, der in Gleichung (2) angegeben ist. $\frac{\partial ρ C_{H}}{\partial t} = \nabla (D_{H} \nabla C_{H}) + S_{H}$
$S_{H} = \frac{\partial}{\partial t} (C_{H}^{0} / (1 - (1 - \frac{K_{s}}{K_{I}}) \cdot ƒ_{s}))$
Die Diffusionsgleichung (1) wird dann in sphärischen Koordinaten gelöst, während die Erstarrung fortschreitet, wobei Grenzbedingungen zum ersten durch die Wasserstoffkonzentration in der Flüssigkeit (C_H) an einer Porenschnittstelle (R_pore), die im Gleichgewicht mit dem Wasserstoffgasdruck (P_g) in der Pore in Übereinstimmung mit dem Gesetz von Sievert steht, und zum zweiten durch einen Wasserstofffluss von Null an einem Außenradius (R_system) gegeben sind. Dies bildet ein Porositätsvorhersagemodell, das umfassender ist als der in der Technik bekannte auf empirischen Untersuchungen beruhende Ansatz.
Wie vorstehend in Verbindung mit 4A bis 4C angegeben wurde, sollen verschiedene Arten von Gussteildefekten in Betracht gezogen werden, um ein Aluminiumlegierungsgussteil korrekt zu charakterisieren. In einer Konfiguration, bei der ein Sandguss eingesetzt wird, können Polymer- oder Lehmbindemittel, die zum Bilden von Sandgussformen verwendet werden, beim Erwärmen Wasserdampf entwickeln. Polymerbindemittel können verbrennen, wodurch Wasserdampf und CO₂ freigesetzt wird, und sie können sich auch thermisch zersetzen, um molekularen Wasserstoff H₂ und Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Siedepunkt abzugeben, wie etwa Propan und Methan. Als Bindemittel in der Gussform oder in Kernauswaschungen verwendete Lehmmaterialien können Wasserdampf abgeben, wenn die hydrierten Oxide/Silikate/Karbonate erwärmt werden. Wasserdampf wird an der Oberfläche des flüssigen Metalls reduziert werden, indem Wasserstoff in das Metall eingebracht wird, und Wasserstoff im Kerngas kann einfach in das Metall hinein diffundieren. Als Resultat der Wasserstoffdiffusion aus den vorstehend erwähnten Quellen in das flüssige Metall hinein ist es möglich, dass im Gussteil anfängliche Wasserstoffkonzentrationen vorhanden sind, die viel höher sind, als aus einer Messung der Wasserstoffkonzentration im flüssigen Metall am Ofen erwartet würde. Dies erzeugt eine erhöhte Porosität speziell an der Oberfläche des Gussteils in Kontakt mit der Sandgussform. Das Modul 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen enthält die vorstehend erörterten Teilmodule, Aufgaben, Werkzeuge oder ähnliche Teilroutinen, um dieses Ausgasungsphänomen vorherzusagen. Dies ist insofern wesentlich, als traditionelle Porositätsvorhersagen annehmen, dass der im flüssigen Metall im Ofen gemessene Wasserstoff (bevor es in die Gussform eintritt) der gesamte Wasserstoff ist, der berücksichtigt werden muss. In der Realität muss das Ausgasen (mit seiner dazugehörigen Zunahme bei der Mikroporengröße (bestenfalls) oder bei Blasen im Makromaßstab (schlechtestenfalls)) berücksichtigt werden. Dieses Ausgasen wird, wenn es aus Sandkernen freigesetzt wird, als das vorstehend erwähnte Kerngas bezeichnet, aber der Fachmann wird feststellen, dass Wasserdampf von einer Anzahl von Quellen ebenfalls möglich ist. Auf ähnliche Weise beeinflusst die genaue chemische Natur des Gases den Defektausbildungsmechanismus, da sich Wasserstoff in flüssigem Metall in der Atomform auflöst und aus der Lösung entfernt von der Originalquelle austreten kann, wenn das Metall erstarrt, während andere Kohlenwasserstoffe, die im Metall nicht lösbar sind, isolierte Blasen ausbilden können. In einer Form kann der Abschnitt des Moduls 300 zur Vorhersage von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen eine externe Wasserstoffkonzentration von der Sandgussform als eine Grenzbedingung auf eine Simulation von flüssigem Aluminium während der Erstarrung anwenden. Die Konzentration kann explizit angegeben werden oder numerisch aus Bildungs- und Transportkinetiken für Wasserstoff und Wasser im Luftraum in der Sandgussform numerisch berechnet werden. Ein derartiger Ansatz kann eine genauere Beurteilung einer derartigen Ausgasung relativ zu einer Grenzbedingung mit einem Fluss von Null für die Wasserstoffkonzentration an der Gussformoberfläche bereitstellen. Das Verstehen des aufgelösten Wasserstoffs ist ein wichtiger Bestandteil zum Verstehen der Mikroporosität. Es ist wichtig, dass die gegenwärtigen Erfinder durch Einbeziehung des Effekts unterschiedlicher Mengen von gelöstem Wasserstoff und durch das korrekte Charakterisieren der physikalischen Beschreibung der Weise, wie sich die Poren ausbilden, entdeckt haben, dass vereinfachende empirische Gleichungen (etwa diejenigen, die auf einem Dendritenabstand beruhen) und die mit diesen einhergehenden Fehler als ein Weg zur Vorhersage der Anwesenheit von größeren Poren nicht benötigt werden. Die Berücksichtigung von Oxid-Bifilmen als eine Stelle, an der der Wasserstoff aus der Lösung heraustritt und anschließend größere Poren erzeugt, führt zu einer weiteren Verbesserung des Ansatzes der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug als nächstes auf 8 sind ein paar Formen eines derartigen Defekts in einer Aluminiumlegierung gezeigt. Beim Erhitzen auf die flüssige Form 700 interagieren verschiedene Aluminiumströme (beispielsweise ein erster Strom 710 und ein zweiter Strom 720 sowie Tröpfchen 730) auf verschiedene Weisen. Bei der Verarbeitung in einer sauerstoffhaltigen Umgebung können sich Oxidfilme 740 an der Außenfläche des flüssigen Aluminiums einschließlich des ersten Stroms 710, des zweiten Stroms 720 und der Tröpfchen 730 bilden. Ein Bifilm 770 bildet sich, wenn sich die zwei Oxidfilme 740 von den jeweiligen Strömen 710 und 720 treffen. Bifilme bilden sich auch, wenn durch Turbulenzen erzeugte Tröpfchen auf dem Metallstrom landen, wie bei 750 gezeigt ist. Obwohl Bifilme 750, 770 ein inhärenter Teil von nahezu jedem Gießverfahren sind, sind sie im Allgemeinen nicht nachteilig für die mechanischen Eigenschaften des Gussteils, sofern nicht der Oxidfilm 740 aufgrund der Faltungsaktion, wenn sich zwei separate Ströme 710 und 720 unter großen Winkeln treffen (typischerweise mehr als 135 Grad, wobei die Schwallaktion eines Stroms auf einen anderen Strom so fällt, dass dazwischen ein Hohlraum ausgebildet wird), in der Legierungsmasse eingeschlossen ist, wie an der Stelle 760 gezeigt ist. Eine derartige Formation kann signifikante Auswirkungen auf die Gesamtintegrität des Materials und nachfolgende Gussteilausschussraten haben. Auf ähnliche Weise kann sich eingeschlossenes Gas 780 bei der Eingießaktion von flüssigem Metall ausbilden.
Schlieren und Spritzer sind andere Arten von Bifilmen, die zusätzlich gebildet werden können. Bei der Simulation wird die Kontaktfläche für jedes Partikel gespeichert, was ermöglicht, dass der gesamte potentielle Bifilmbereich berechnet werden kann, indem über alle derartigen Partikeloberflächenbereiche aufsummiert wird. Schlieren (nicht gezeigt) werden als Bifilme behandelt, die bei Temperaturen unter dem Liquidus erzeugt werden. Spritzer (welche eine Form von Bifilmen 770 sind) bilden sich, wenn zwei Ströme aus flüssigem Metall zu kalt sind, um sich zu verbinden, wenn sie sich treffen, sodass die Oxidoberfläche an der Außenseite beider Metallströme verhindert, dass die Ströme miteinander fusionieren; insbesondere werden sie als Bifilme behandelt, welche bei einer Temperatur unter der mittleren Temperatur des Erstarrungsbereichs (d.h. (Liquidus + Solidus)/2) erzeugt werden. Spritzer sind insofern potentiell nachteilig, als sie wie Risse im Werkstück wirken und ziemlich groß sein können. Wie bei durch Turbulenzen induzierten Bifilmen kann der Gesamtbereich von Schlieren und Spritzern durch Summierung über alle Partikelbereiche als ein Index der Gussteilqualität berechnet werden. Darüber hinaus kann der Gesamtbereich eingeschlossener Oxidfilme oder Oberflächenoxidfilme berechnet werden, indem die Veränderung des freien Oberflächenbereichs während des Füllens der Gussform nachverfolgt wird. Das Modell der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um anzugeben, wo sich der Spritzer wahrscheinlich bilden wird, um zu schätzen, wie groß er ist und wie viel Einfluss er auf das Werkstückverhalten haben wird, und um vorzuschlagen, welche Optionen verwendet werden können, um ihn zu beseitigen. Beispielsweise können Geometrie- und Prozessoptimierungsschritte, die in dem Modell der vorliegenden Erfindung vorhanden sind, verwendet werden, um Spritzer zu verringern oder zu beseitigen. Beispiele können umfassen, dass die Metalltemperatur erhöht wird, wenn es in die Gussform eintritt, oder der Einfüllpfad verändert wird, um konvergierende Ströme zu vermeiden. Auf ähnliche Weise kann ein Verändern des Einfüllpfads derart, dass das Metall nicht so viel Wärme verliert, bevor es den anderen Strom trifft, verwendet werden, um den Spritzerdefekt zu beseitigen.
Noch ein weiterer Defekt mit Makromaßstabgröße, der in Betracht gezogen werden kann, ist eingeschlossenes Gas 780. Wenn flüssiges Metall in eine Gussform eingegossen oder hineingedrückt wird, ist es möglich, große Gasblasen darin einzuschließen. Wenn Angusskomponenten nicht korrekt geformt sind, können signifikante Gasmengen in die Gussform eingesaugt werden. Bei einigen Gießansätzen (beispielsweise Hochdruckgießen und Pressgießen) füllt das Metall die Gussform schneller aus, als das Gas aus dem Gussformhohlraum evakuiert werden kann, was bewirkt, dass Metall das eingeschlossene Gas umgibt. Die Gase innerhalb der Gussform/des Ausformwerkzeugs können aus einer Ausformwerkzeugbeschichtung, einem Ausformwerkzeugschmiermittel oder Gussformbindemitteln resultieren.
Zum Beschreiben einer dendritischen Struktur werden der primäre dendritische Zellenabstand (d₁) und SDAS (d₂) verwendet. Die Dendritengröße und der Dendritenabstand beeinflussen die Reaktion auf eine Wärmebehandlung sowie die mechanische Reaktion des Systems. Auf ähnliche Weise beeinflusst die Größe und der Abstand dessen, was als die Partikel der zweiten Phase bekannt ist - das Eutektikum - die mechanische Reaktion des Verbundsystems. Das „V“ und „G“ in der nachstehenden Gleichung 3 stehen in direkter Beziehung zu den Erstarrungsbedingungen; folglich wird das Modell im Makromaßstab des Erstarrungstemperaturverlaufs verwendet, um die Gussstruktur im Mikromaßstab vorherzusagen. Gleichung 4 enthält Details der Legierungszusammensetzung, um die lokale Erstarrungszeit vorherzusagen, welche die Porengröße beeinflusst, da der Wasserstoff die Poren nicht weiter aufblasen kann, wenn das Metall erstarrt. Dies ist eine weitere Verbindung zwischen den Makro- und Mikromaßstäben auf der Grundlage genauer physikalischer Beschreibungen von Ereignissen im atomaren Maßstab durch C_ri, D_ii, k_j, mi oder dergleichen. Für Partikel der zweiten Phase werden der Partikeldurchmesser (a), der Partikelabstand (λ) und die Partikellänge (1) verwendet. Analytische Modelle für jeden dieser Parameter sind durch die nachstehenden Gleichungen gegeben: $d_{l} = C V^{- n_{1}} G^{- n_{2}}$
wobei C, n₁ und n₂ Konstante sind, V die lokale Wachstumsgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde ist, und G der Temperaturgradient in Grad Kelvin pro Meter ist. Auf ähnliche Weise gilt: $t_{C} = \frac{L d_{2}^{3}}{σ T_{0}} ξ \sum_{i = 1}^{N} \frac{m_{i} C_{r i} (1 - k_{i})}{D_{i i}}$
Wobei t_c die lokale Erstarrungszeit in Sekunden ist, L die latente Wärme der primären Phase ist, C_ri die Zusammensetzung des i-ten Elements in der Nähe des sekundären Arms der Größe r in Gewichtsprozent ist, D_ii der Diagonaldiffusionskoeffizient ist, ki der Verteilungskoeffizient des gelösten Stoffs des i-ten Elements ist; mi die Liquidussteigung im Gleichgewicht für das i-te Element ist; ξ eine Konstante der Vergröberungsmodelle ist, σ die freie Energie an der Schnittstelle ist, T₀ die Liquidustemperatur in Grad Kelvin bei C=C₀ ist und N die Anzahl der Elemente des gelösten Stoffs in einer Legierung mit mehreren Komponenten ist. Ferner gilt $l = \frac{d_{1}}{2} (1 - \sqrt{1 - ƒ_{E}})$
wobei f_E der eutektische Volumenanteil ist. Gleichung (5) setzt die Erstarrungsbedingungen von Gleichung (1) in Beziehung damit, wie viel von der Mikrostruktur aus dem eutektischen Verbund bzw. den Dendriten besteht, sowie wie weit die Regionen mit eutektischen Verbünden entfernt sind. Ferner gilt $a = λ \sqrt{ƒ_{s i}}$
wobei f_si der Siliziumvolumenanteil im Eutektikum ist. Der eutektische Verbund ist eine Mischung aus harten Partikeln in einer Matrix aus weicherem Metall. Gleichung (6) setzt die Erstarrungsbedingungen (über Lambda) und die Zusammensetzung (über f_si) in Beziehung zu dem Abstand der harten Partikel, welche die mechanische Reaktion des Systems beeinflusst. Zusätzlich gilt $λ = C V_{s}^{- b}$
wobei C und b Konstante sind und V_s die Geschwindigkeit des Solidus (oder der eutektischen Isotherme) in Meter pro Sekunden ist. Ein ähnlicher Ansatz kann auf Materialien mit zellularer Struktur angewendet werden.
Ergebnisse, die den vorhergesagten Werten von SDAS, der Mikroporositätsverteilung (einschließlich des Volumenanteils und/oder der Porengrö-ßen) entsprechen, können abgebildet werden, um in visueller Form das Vorhandensein derartiger Merkmale durch oder über eine Gusskomponente hinweg, etwa eines (nicht gezeigten) Kraftmaschinenblocks aus einer Aluminiumlegierung, zu zeigen. Mit anderen Worten werden die Vorhersagen im Nano- und Mikromaßstab mit dem globalen Maßstab verbunden, indem die vorhergesagten Werte auf das Werkstück abgebildet werden. Derartige Daten können auch mit experimentellen Daten verglichen werden. Die visuelle Form (die beispielsweise farbig codiert sein kann) kann auch für Temperaturdaten verwendet werden, etwa für Spritzerdefekte, die in einem Kraftmaschinenblock aus Gussaluminium vorhergesagt werden. Auf ähnliche Weise kann eine vorhergesagte dendritische Struktur verwendet werden, um sie mit tatsächlichen Mikrostrukturen in Querschnitten derartiger Legierungen zu vergleichen, etwa gerichtet erstarrter Aluminiumlegierungen.
Die Auswirkung eines gegebenen Volumenanteils an Defekten (f) auf die letztendliche Zugspannungsfestigkeit (σ_UTS) und Bruchzähigkeit (ε) eines Metallgussteils kann numerisch durch die folgenden zwei Gleichungen beschrieben werden: $σ_{U T S} = σ_{U S T 0} {(1 - ƒ)}^{n}$
$ε = ε_{0} {(1 - ƒ)}^{m}$
wobei σ_UTS0 und ε₀ die letztendliche Zugspannungsfestigkeit bzw. Längsdehnung eines fehlerfreien Materials sind, während n und m Anfälligkeiten der letztendlichen Zugspannungsfestigkeit bzw. Längsdehnung für Defekte sind. Das Festigkeitsmodell der vorliegenden Erfindung setzt die Festigkeit des Werkstücks in direkte Beziehung mit den lokalen Merkmalen in Mikromaßstab, wie in den nachstehenden Gleichungen 10 und 11 in größerem Detail erörtert wird. Die Längsdehnung eines defektfreien Materials kann berechnet werden durch: $ε_{0} = 0.5 + ε_{c}^{*} - (σ_{Y S} + \frac{1.6 μ_{p} ƒ_{u c} ε_{c}^{*}}{μ_{p} - 0.4 (μ_{p} - μ_{m})} \int_{0}^{\infty} α (d (ƒ (α)) - d (ƒ_{c} (α)))) / (b C (1 + \sqrt{f_{u c}}) μ_{m} (\frac{C_{1}}{L} + \frac{C_{2}}{λ}))$
während die letztendliche Zugspannungsfestigkeit eines defektfreien Materials σ_UTS0 berechnet werden kann durch: $σ_{U T S 0} = σ_{Y S} + \frac{1.6 μ_{p} ƒ_{u c} ε_{c}^{*}}{μ_{p} - 0.4 (μ_{p} - μ_{m})} \int_{0}^{\infty} α \cdot (d (ƒ (α)) - d (ƒ_{c} (α))) + C (1 + \sqrt{f_{u c}}) μ_{m} \sqrt{b (\frac{C_{1}}{L} + \frac{C_{2}}{λ}) (ε_{0} - ε_{c}^{*})}$
wobei σ_YS die Streckgrenze ist, µ_P der Schermodul für die Partikel ist, µ_m der Schermodul für die Matrix ist, ε_c* die Obergrenze für den Bereich ohne plastische Entspannung (0,007) ist, b die Größe des Burgers-Vektors der Versetzungen ist, α der Streckungsgrad eines Partikels ist, f(α) und f_c(α) kumulierte Weibull-Verteilungsfunktionen von Streckungsgraden von Gesamtpartikeln bzw. aufgebrochenen Partikeln sind, d(f(α)) und d(f_c(α)) Ableitungen der kumulierten Weibull-Verteilungsfunktionen der Streckungsgrade von Gesamtpartikeln und aufgebrochenen Partikeln sind (gleich der Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen der Streckungsgrade von Gesamtpartikeln und aufgebrochenen Partikeln), f_uc der Volumenanteil nicht aufgebrochener Partikel ist, L der mittlere Schlupfabstand von Versetzungen in der Matrix auf der Nanomaßstabsebene ist, λ der vorstehend erwähnte SDAS ist und C und C₁ Konstante sind. In einer Form ist C etwa 1,25, C₁/L ist etwa 0,05 µm^-1 und C₂ ist 2. Folglich ist das Verhalten von Schnittstellen zwischen einzelnen Mikrostrukturbestandteilen, die einen Verbund bilden, insofern wertvoll, als ein Zugspannungsbruch aus den kombinierten Effekten des Brechens von Versteifungspartikeln oder einer anderweitigen Trennung der Versteifungspartikel von der eutektischen Matrix in Situationen entstehen kann, bei denen die Schnittstellenfestigkeit zu gering ist. Auf ähnliche Weise hängen Ermüdungsausfallmodi von der relativen Festigkeit der Schnittstellen an den Bestandteilen ab.
Das Kriechdehnungsverhalten von Metallgussteilen kann durch ein Kraftgesetzmodell ausgedrückt werden: $\frac{d ε_{c r e e p}}{d t} = β σ^{p} t^{m}$
$ε_{c r e e p} = β \frac{1}{m + 1} σ^{p} t^{m + 1}$
wobei σ die äquivalente Spannung ist, t die Zeit ist und β, p und m temperaturabhängige Parameter sind, die beschafft werden können, indem experimentelle Daten bestmöglich angepasst werden, oder die mit Mikrostrukturcharakteristika in Beziehung stehen können. Auf der Grundlage von Zugspannungskriechdehnungsdaten aus einem repräsentativen Muster (speziell einer Aluminiumlegierung A380-T5) werden drei Parameter für verschiedene Spannungsniveaus, Temperaturen und Mikrostrukturcharakteristika, wie etwa Volumenanteil der Porosität und der Oxide, Dendritenarmabstand, Volumenanteil von eutektischen Partikeln und Matrixfestigkeit von Aluminium oder dergleichen bestimmt. Unter Verwendung dieser von mehreren Mikrostrukturmaßstäben abhängigen Parameter kann die berechnete Kriechdehnungsbelastung als ein Fehlerkriterium bei der Haltbarkeitsbeurteilung verwendet werden.
Auf ähnliche Weise kann die Ermüdungslebensdauer von Metallgussteilen geschätzt werden unter Verwendung von: $N_{f} = a {(\frac{Δ ε}{2})}^{c}$
wobei a und c Materialkonstante sind, die empirisch aus Testdaten ermittelt sein können oder in theoretischer Beziehung zu Mikrostrukturcharakteristika stehen. Die Ermüdungslebensdauer von Metallgussteilen kann auf andere Weise geschätzt werden, etwa durch die Verwendung von Ermüdungslebensdauermodellen in mehreren Maßstäben wie denjenigen, die im US-Patent 7,623,973 beschrieben sind, das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit aufgenommen ist. Auf ähnliche Weise kann die Ermüdungslebensdauer (speziell in Systemen mit sehr hoher zyklischer Ermüdung) von Metallgussteilen unter Verwendung eines modifizierten Zufallsermüdungsgrenzenmodells geschätzt werden, wie etwa desjenigen, das in der veröffentlichen US-Anmeldung 2010-0030537 beschrieben ist, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Auf ähnliche Weise kann die Ermüdungslebensdauer von Metallgussteilen unter einer mehrachsigen Ermüdung unter Verwendung von Verfahren geschätzt werden, die in der veröffentlichten US-Anmeldung 2010-023520 beschrieben sind, welche ebenfalls dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen ist. Der vorliegende Ansatz ist ferner vorteilhaft, wenn er in Verbindung mit verschiedenen Ermüdungsverfahren verwendet wird. Beispiele derartiger Verfahren zum Auffinden von Ermüdungs- und ähnlichen Lebensdauerproblemen finden sich in den ebenfalls anhängigen veröffentlichten Anmeldungen US 2009-0276166 und US 2010-0030537 , die ebenfalls dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehören und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen sind.
Vorhersagen des Verhaltens einzelner Komponenten können extrapoliert werden, um die Komponentenzuverlässigkeit 460 vorherzusagen. Ein derartiger Ansatz ist besonders wertvoll, wenn große Stückzahlen der gleichen Komponente in einer Massenproduktion erzeugt werden, da er dem Hersteller ermöglicht, leicht festzustellen, ob die in Betracht gezogene Komponente mit Garantievorhersagen für eine gegebene Anwendung übereinstimmt. Bei einer derartigen Ausführungsform der Analyse der Zuverlässigkeit 460, die speziell für Kraftfahrzeuganwendungen gedacht ist, können Ermüdungslebensdauerberechnungen wie etwa diejenigen, die vorstehend erörtert wurden, unter Verwendung statistischer Verteilungen der Betriebslasten, welche verschiedene Fahrstile darstellen, und Porositätsgrundgesamtheiten durchgeführt werden, um die erwartete Anzahl gleicher Teile abzuschätzen, die während eines gegebenen Modelljahrs erzeugt wurden, welche vor der Konstruktionslebensdauer ausfallen. Auf ähnliche Weise können erwartete Garantieraten für gleiche Komponenten, die neuen Betriebsbedingungen unterzogen werden, vorhergesagt werden, indem die Betriebsbelastung und Temperaturverteilungen aktualisiert werden und die Wahrscheinlichkeiten für Zugspannungsbruch, Kriechdehnungsfehler und Ermüdungsausfall neu berechnet werden. Ein derartiges Beispiel einer neuen Betriebsbedingung, die bestimmt werden kann, kann auftreten, wenn eine Kraftmaschine, die für typische Geschwindigkeits- und Fahrbedingungen in den Vereinigten Staaten konstruiert wurde, in ein anderes Land (beispielsweise Deutschland) exportiert wird, in dem lokale Gesetze höhere Betriebsgeschwindigkeiten erlauben (beispielsweise bei Autobahnbedingungen). Derartige Berechnungen der Zuverlässigkeit 460 können auch verwendet werden, um das Geschäftsmodell für Prozessverbesserungen, die ein Kapitalinvestment benötigen, zu bewerten, indem die Grundgesamtheit der Defekte verstellt wird, um den neuen Prozess darzustellen, und bestimmt wird, ob die vorgeschlagene Verbesserung genügend Nutzen liefert, um ihre Implementierung für eine spezielle Produktlinie zu rechtfertigen.
Zum Zweck der Beschreibung und Definition von Ausführungsformen hierin wird angemerkt, dass die Begriffe „im Wesentlichen“, „signifikant“ und „in etwa“ hier verwendet werden, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder jeder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann, und sie können folglich den Grad darstellen, um den eine quantitative Darstellung von einem angegeben Bezugswert abweichen kann, ohne dass dies zu einer Veränderung bei der Grundfunktion des betreffenden Gegenstands führt.
Nachdem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne vom Umfang der Ausführungsformen abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Obwohl einige Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird insbesondere in Betracht gezogen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte begrenzt sind.

Claims

Verfahren zur rechnergestützten Simulation eines Gießverfahrens für eine auf einer Leichtmetalllegierung beruhenden Komponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Computer (500) so konfiguriert wird, dass er eine Dateneingabe (520), eine Datenausgabe (530), eine Verarbeitungseinheit (510), eine Speichereinheit (540) und einen Kommunikationspfad zur Kooperation zwischen der Dateneingabe (520), der Datenausgabe (530), der Verarbeitungseinheit (510) und der Speichereinheit (540) umfasst; und der Computer (500) mit mehreren Berechnungsmodulen (100, 200, 300, 400) betrieben wird, die programmtechnisch mit der Speichereinheit (540) und/oder der Verarbeitungseinheit (510) derart zusammenarbeiten, dass der Computer (500) beim Empfang von Daten, welche die Komponente betreffen, die Daten den mehreren Berechnungsmodulen (100, 200, 300, 400) derart unterzieht, dass eine Ausgabe aus diesen Verhaltensindizien des Gießverfahrens bereitstellt, wobei die mehreren Berechnungsmodule (100, 200, 300, 400) umfassen: ein Gussteilkonstruktionsmodul (100), das ausgestaltet ist, um eine optimierte geometrische Darstellung der Komponente bereitzustellen; ein Prozessoptimierungsmodul (200), das ausgestaltet ist, um ein Gießverfahren, eine Wärmebehandlung (200-2) und/oder eine maschinelle Bearbeitung (200-3) der endgültigen Gussteilkonstruktion zu bestimmen; ein Modul (300) zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben, das ausgestaltet ist, um Daten von dem Gussteilkonstruktionsmodul (100) und dem Prozessoptimierungsmodul (200) als Eingaben für sich zu empfangen, um als Ausgabe Materialcharakteristika, Schätzwerte für die Grundgesamtheit von Defekten für mehrere Defektarten und eine Mikrostrukturarchitektur über mehrere Größenmaßstäbe hinweg zu erzeugen; und ein Strukturverhaltensmodul (400), das ausgestaltet ist, um die Ausgabe der Materialcharakteristika, der Schätzwerte für die Grundgesamtheit von Defekten und der Mikrostrukturarchitektur zusammen mit Lastbedingungen, einer vorhergesagten Restspannung und Verzerrung und einer Haltbarkeitstestsimulation zu empfangen, um die Verhaltensindizien zu erzeugen; wobei die mehreren Größenmaßstäbe einen großen Maßstab, der sich von etwa zehn Millimeter bis zu etwa einem Meter erstreckt, einen mittleren Maßstab, der sich von etwa einem Mikrometer bis zu etwa zehn Millimeter erstreckt und einen kleinen Maßstab, der sich von etwa einem zehntel eines Nanometers bis zu etwa einem Mikrometer erstreckt, umfassen; wobei eine Datenbank von Eigenschaftswerten, die in dem kleinen Maßstab erzeugt wurden, auf nicht einheitlichen Eigenschaften beruht, die auf mindestens einen der größeren Maßstäbe derart extrapoliert wurden, dass Beziehungen, die zwischen Mikrostrukturcharakteristika in mehreren Maßstäben und lokalen nicht einheitlichen Eigenschaften und Erstarrungsbedingungen erzeugt wurden, verwendet werden können, ohne eine Simulation im kleinen Maßstab für im Wesentlichen die gesamte Komponente laufen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren Defektarten Oxidfilme (740), Einschlüsse, eingeschlossenes Gas (780), Spritzer, Kerngas, eine eingeschlossene vorgeformte Metallschicht, Makroporosität und Mikroporosität umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Oxidfilme (740) Bifilme (750, 770), Schlieren, Spritzer und/oder Falten umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modul (300) zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben quantitative Indizien eines Dendritarmabstands, des Volumenanteils und der Größen zweiter Phasen der Mikrostrukturarchitektur bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Mikrostrukturarchitektur primäre Dendrite (332), eutektische Partikel und/oder eine eutektische Matrix umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modul (300) zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben die Ausbildung von Ablagerungen simuliert und einen Volumenanteil und eine Größenverteilung von Ablagerungen im Nanomaßstab in den primären Dendriten (332) und/oder einer eutektischen Matrix analysiert.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend eine von Defekten in mehreren Maßstäben und Mikrostrukturen abhängige Dauerfestigkeitsanalyse in Zusammenarbeit mit dem Gussteilkonstruktionsmodul (100), dem Prozessmodellierungs - und Optimierungsmodul (200) und dem Modul (300) zur Vorhersage von Mikrostrukturen in mehreren Maßstäben.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine Zuverlässigkeitsanalyse mit dem Strukturverhaltensmodul (400) durchgeführt wird.