DE102021122520A1

DE102021122520A1 - Process and device for the development and/or production of cast components

Info

Publication number: DE102021122520A1
Application number: DE102021122520.5A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: MIKROMAT GmbH
Current assignee: MIKROMAT GmbH
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Aufgabe ist es, ein Verfahren und einer Vorrichtung zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen unter Nutzung der Möglichkeiten formender, auf- und/oder abtragender Verfahren zur Herstellung einer verlorenen Gussform zu schaffen, so dass sowohl eine optimierte Gesamttechnologie als auch materialmäßig optimierte Gussbauteile gefertigt werden können.Erfindungsgemäß wird eine Geometrie für ein Gussbauteil unter Beachtung von geometrischen, mechanischen und technologischen Randbedingungen ohne Beachtung von Restriktionen entwickelt, diese in ein- oder mehrteilige Segmente einer Gussform unter Zufügung von Anguss-, Steigersystem oder sonstiger gießereitechnologischer Randbedingungen im Wesentlichen durch Invertieren umgesetzt wird, wobei Abkühlungs- und/oder Zerspanungsrandbedingungen berücksichtigt und/oder in einem Iterationsprozess von Simulieren oder/und Formherstellung oder/und Messen oder/und Gießen oder /und Messen oder/und Fräsen oder/und Messen oder/und Simulieren der Prozess nach Gussbauteilherstellung wiederholt durchlaufen wird, bis in einem optimalen Prozess hinsichtlich Genauigkeit und mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften über eine optimierte Gussform auch den Anforderungen entsprechende Gussbauteile entstehen.The task is to create a method and a device for the development and/or production of cast components using the possibilities of shaping, adding and/or removing methods for the production of a lost mold, so that both an optimized overall technology and material-optimized cast components are produced According to the invention, a geometry for a cast component is developed, taking into account geometric, mechanical and technological boundary conditions without considering restrictions, and this is converted into one-piece or multi-part segments of a mold with the addition of a sprue system, riser system or other foundry-technological boundary conditions, essentially by inversion is, whereby cooling and/or machining boundary conditions are taken into account and/or in an iterative process of simulation and/or mold production and/or measuring and/or casting and/or measuring and/or milling and/or measuring and/or simulating the Pr process is repeated after the production of the cast component, until cast components that meet the requirements are created in an optimal process with regard to accuracy and mechanical and/or thermal properties via an optimized casting mold.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen, insbesondere von Prototypen und/oder eine Produkt- und/oder Prozessoptimierung bei der wiederholten Fertigung dieser oder ähnlicher Gussbauteile.The invention relates to a method for the development and/or production of cast components, in particular prototypes, and/or a product and/or process optimization in the repeated production of these or similar cast components.

Bekannt geworden ist ein Verfahren, bei welchem die Geometrie für Bauteile einem bestimmten Konstruktionsprozess folgend unter Beachtung bekannter mechanischer, gießerei- und bearbeitsungstechnologischer Randbedingungen gefunden, nachfolgend die Geometrie der zum Abguss erforderlichen Form bestimmt, ein Positivmodell aus Holz, Plastik oder anderem Material hergestellt und in mit Binder gemischtem Sand zu einer Sandform abgeformt wird. Diese kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen, wird anschließend montiert und mit flüssiger Schmelze gefüllt. Nach dem Abkühlen wird die Form zerstört (Prinzip der verlorenen Form) und das Rohbauteil freigelegt und geputzt. Dabei werden neben dem Restsand die gießtechnologisch benötigten Zusatzgeometrien (Speiser, Steiger, ...) entfernt. Nachteilig ist hierbei, dass ein Modell zum Abformen benötigt wird, welches insbesondere die Einzelteil- und Kleinserienfertigung teuer macht. Weiterhin nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass es aufgrund der indirekten Formherstellung zu größeren Fehlern kommen kann. Zusätzlich wirkt nachteilig, dass das notwendige Entformen des Modells geometrische Zusatzelemente (Entformungsschrägen, etc) verlangt, welche die Masse des Bauteils erhöhen und oft nur mit zusätzlichem Aufwand durch mechanische Bearbeitung entfernt werden müssen. Dem kann wiederum mit anderen Elementen, z.B. Außenkernen entgegengewirkt werden, was jedoch den Aufwand der Formherstellung und des Putzens vergrößert. Weiter wirkt nachteilig, dass ein späteres Optimieren aufgrund der dafür notwendigen Änderung der Geometrie des Modells relativ aufwändig ist und deshalb meist entfällt. Das so entstehende Aufmaß verlangt zusätzlichen Materialeinsatz und Energie, verlängert die erforderliche Prozesszeit und erhöht die Folgekosten.A method has become known in which the geometry for components is found following a specific construction process, taking into account known mechanical, foundry and processing technological boundary conditions, the geometry of the mold required for the casting is then determined, a positive model made of wood, plastic or other material is produced and is formed into a sand mold with sand mixed with binder. This can consist of one or more parts, is then assembled and filled with molten metal. After cooling, the mold is destroyed (lost mold principle) and the raw component is exposed and cleaned. In addition to the residual sand, the additional geometries required for casting technology (risers, risers, ...) are removed. The disadvantage here is that a model is required for molding, which makes the production of individual parts and small series, in particular, expensive. Another disadvantage of this method is that larger errors can occur due to the indirect production of the mold. Another disadvantage is that the necessary demoulding of the model requires additional geometric elements (drafts, etc.), which increase the mass of the component and often only have to be removed with additional effort through mechanical processing. This in turn can be counteracted with other elements, e.g. Another disadvantage is that subsequent optimization is relatively complex due to the change in geometry of the model that is required for this and is therefore usually not necessary. The resulting allowance requires additional material and energy, extends the required process time and increases the follow-up costs.

Die DE 196 49 428 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Gussform, wobei ein modellloses Fräsen einer Gießform, d. h. eines Blockes aus ausgehärtetem pulverförmigen Granulatmaterial großer Größe mit einer automatischen Bearbeitungsmaschine erfolgt. Nachteilig ist hierbei, dass die mechanischen Eigenschaften und größenmäßige Grenzen im Handling die maximale Größe der Gießform relativ halten. the DE 196 49 428 A1 describes a method and a device for producing a casting mold, wherein a model-free milling of a casting mold, ie a block of hardened powdered granular material of large size, takes place with an automatic processing machine. The disadvantage here is that the mechanical properties and size limits in handling keep the maximum size of the casting mold relatively.

Groß- und Mittelformatgussteile sind auf diesem Weg nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Risiko und erheblichen Aufwand herstellbar.Large and medium-sized cast parts cannot be produced in this way, or only with a disproportionately high risk and considerable effort.

Die DE 198 25 448 A1 schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten Herstellung einer verlorenen Gießform für Gussstücke aus Metall vor, bei welchen das Modell, welches aus einer mit aushärtbaren Bindemitteln hergestellten Sandform besteht, welche mit einem Aufmaß versehen wird, dieses entsprechend dem o.b. klassischen Verfahren zur Gießform abgeformt, entformt und nachfolgend im HSC-Fräsen fertiggestellt wird. Vorteilhaft ist dabei, dass eine Gießform entsprechend der gewünschten Geometrie mit hoher Genauigkeit hergestellt werden kann. Nachteilig ist hierbei, dass ein Modell zum Abformen benötigt wird, was insbesondere die Einzelteil- und Kleinserienfertigung erheblich teuer macht.the DE 198 25 448 A1 proposes a method and a device for the direct manufacture of a lost mold for castings made of metal, in which the model, which consists of a sand mold made with hardenable binders, which is provided with an allowance, this is molded according to the above classic method for casting molds, demolded and then finished in HSC milling. The advantage here is that a casting mold can be produced with high accuracy in accordance with the desired geometry. The disadvantage here is that a model is required for molding, which makes the production of individual parts and small series in particular considerably expensive.

In der DE 101 56 332 A1 ist ein Verfahren und ein zugehöriges Baukastensystem für die schnelle Herstellung von großformatigen Gießformen beschrieben, welche aus einem mit einem Bindemittel versetzten, aushärtbaren und gießereiüblichen Formstoff bestehen. Zwecks Vereinfachung der Herstellung wird die Gießform segmentiert und in Grundsegmente aus einfachen regelmäßigen geometrischen Formen mit definierten Abmessungen aufgeteilt, wobei die Geometrie der Grundsegmente, die gegenseitige Lage zueinander und andere metrische Beziehungen in einem 3-D-CAD Datensatz gespeichert werden. Es sind zusätzliche Verriegelungselemente mit geometrischen Fügeflächen und Passflächen an den Grundelementen angeformt. Die zur Formbildung dienenden Freiformflächen werden durch eine programmierbare Fräsmaschine entsprechend dem gespeicherten 3- D-Datensatz bearbeitet und die fertig gefrästen Grundsegmente werden in einer Gießform im Kernblockverfahren eingesetzt.In the DE 101 56 332 A1 describes a method and an associated modular system for the rapid production of large-format casting molds, which consist of a hardenable and customary foundry molding material mixed with a binder. To simplify production, the mold is segmented and divided into basic segments of simple, regular geometric shapes with defined dimensions, with the geometry of the basic segments, their relative positions and other metric relationships being stored in a 3-D CAD data set. Additional locking elements with geometric joining surfaces and mating surfaces are formed on the basic elements. The free-form surfaces used to create the shape are machined by a programmable milling machine in accordance with the stored 3-D data set, and the completely milled basic segments are used in a casting mold using the core block method.

Die EP 1 749 596 A1 schlägt ein Verfahren zur Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereiteile vor, wobei für Geometrieteile mit erhöhter Genauigkeitsforderung keramischer Verbundformstoff, für solche mit untergeordneter Genauigkeit (Anguss- und Steigersystem) ein zweiter rieselfähiger chemisch gebundener Formstoff mit anderen Eigenschaften eingesetzt werden soll. Nach dem Aushärten des rieselfähigen zweiten Formstoffs ist ein blockartiger Verbundformstoff ausgebildet, der anschließend durch abtragende Fertigungsverfahren bearbeitet wird. Dieses Verfahren unter teilweiser Nutzung von CAD-Datensätzen erreicht neben Einsparungen im Material auch eine Reduzierung der Fertigungszeit, weil verfahrensspezifisch an die konkreten Forderungen angepasst wird.the EP 1 749 596 A1 proposes a process for the production of a casting mold from a composite molding material for foundry parts, whereby ceramic composite molding material is to be used for geometric parts with increased accuracy requirements, and a second free-flowing chemically bonded molding material with other properties for those with lower accuracy (sprue and riser system). After the free-flowing second mold material has hardened, a block-like composite mold material is formed, which is then machined by removing manufacturing processes. This process, with partial use of CAD data sets, achieves savings in material as well as a reduction in production time, because the process is specifically adapted to the specific requirements.

Aus der EP 2 825 337 B1 ist ein Verfahren zur Positionierung und Fixierung von Formteilen in Gießformen bekannt, bei welchem ein Soll-Ist-Wert-Abgleich über CAD-Datensätze erfolgt. In den CAD-Datensätzen sind vorher vorgegebene Toleranzen einbezogen. Die aus mehreren Formteilen zusammengesetzte Gießform wird in einzelne Formteile aufgeteilt, wobei zunächst die Lage des ersten Formteils gemessen und diese Lage mit vorgegebenen CAD-Datensätzen verglichen wird und das erste Formteil die Bezugsbasis für die Lage und Ausrichtung der weiteren Formteile bildet. Die Formteile weisen zudem formteilübergreifende Aussparungen auf, welche mit einem aushärtbaren Formstoff gefüllt werden um die einzelnen Formteile entsprechend dem vorgegebenen CAD-Datensatz positionieren zu können.From the EP 2 825 337 B1 a method for positioning and fixing molded parts in casting molds is known, in which a target/actual value comparison is carried out using CAD data sets. In the CAD data sets include previously specified tolerances. The casting mold composed of several mold parts is divided into individual mold parts, the position of the first mold part being measured first and this position being compared with specified CAD data sets and the first mold part forming the reference basis for the position and alignment of the other mold parts. The molded parts also have recesses covering the molded parts, which are filled with a hardenable molding material in order to be able to position the individual molded parts according to the specified CAD data set.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen, insbesondere von Prototypen und/oder unter der Einbeziehung von Produkt- und/oder Prozessoptimierungen bei wiederholender Fertigung dieser oder ähnlicher Gussbauteile unter Nutzung der Möglichkeiten formender, auf- und/oder abtragender Verfahren zur Herstellung einer verlorenen Gussform zu schaffen, so dass sowohl eine optimierte Gesamttechnologie entsteht als auch geometrisch bzw. funktional optimierte Gussbauteile gefertigt werden können.The object of the invention is a method and / or a device for the development and / or production of cast components, in particular prototypes and / or including product and / or process optimization in repeated production of these or similar cast components using the possibilities of forming To create application and / or removal process for the production of a lost mold, so that both an optimized overall technology is created and geometrically or functionally optimized cast components can be manufactured.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst, bei welchem eine optimierte Geometrie für ein Gussbauteil unter Beachtung von materialspezifischen, funktionalen und fertigungstechnologischen Randbedingungen mit maximaler Gestaltungsfreiheit mittels Topologieoptimierung entwickelt wird, diese in ein- oder mehrteilige Segmente einer Gussform unter Zufügung von Anguss-, Speisersystem oder sonstiger gießereitechnologisch erforderlicher Komponenten (Kühlsteine o.ä.) im Wesentlichen durch Invertieren der optimalen Zielgeometrie umgesetzt wird. Dabei werden im Optimierungsprozess für die Teilegeometrie fertigungs- und kostenrelevante Aspekte, wie z.B. spezifisches Schwindungs- und Verzugsverhalten, Eigenspannungstendenzen, Gussfehleranfälligkeit, Zerspanungsrandbedingungen (z.B. Verformungen nach lokalem Abtragen der spannungstragenden Außenhaut, Störkontur). Montagefähigkeit u. ä. berücksichtigt. Die Optimierung erfolgt in einem Iterationsprozess von Prozesssimulation (Gießprozess), Formherstellung, Messen der Gießform, Gießen, Messen des Rohgussteiles, mechanische Bearbeitung, und begleitende Messungen zum Bauteilverhalten. Der Prozess wird wiederholt durchlaufen, bis im Ergebnis optimale Gestaltungs- und Prozessparameter hinsichtlich Funktionalität und Gesamtökonomie erreicht worden sind.According to the invention, this object is achieved by a method corresponding to the features of the first patent claim, in which an optimized geometry for a cast component is developed, taking into account material-specific, functional and production-technological boundary conditions with maximum design freedom by means of topology optimization, this is divided into one-piece or multi-piece segments of a mold Addition of sprue, feeder system or other foundry-technologically required components (cooling stones or similar) is essentially implemented by inverting the optimal target geometry. In the optimization process for the part geometry, production and cost-relevant aspects, such as specific shrinkage and distortion behavior, residual stress tendencies, susceptibility to casting defects, machining boundary conditions (e.g. deformations after local removal of the stress-bearing outer skin, interference contour) are taken into account. Assembly capability etc. taken into account. The optimization takes place in an iterative process of process simulation (casting process), mold production, measurement of the casting mold, casting, measurement of the raw cast part, mechanical processing, and accompanying measurements of the component behavior. The process is repeated until the result is optimal design and process parameters in terms of functionality and overall economy.

Von Vorteil beim Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen ist es, wenn zur Herstellung von Gussbauteilen durch Gießen von flüssigem Metall in eine Form, welche nach dem zumindest teilweisen Erstarren der Schmelze zerstört wird (verlorene Form), die Gussform zumindest teilweise ab- und/oder auftragend und/ oder abformend hergestellt wird.It is advantageous in the method for the development and/or production of cast components if, for the production of cast components by pouring liquid metal into a mold which is destroyed after the at least partial solidification of the melt (lost mold), the mold is at least partially removed. and/or applied and/or formed.

Das Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen ist auch anwendbar, wenn die Gussform nur aus einem oder aus zwei oder aus mehreren Teilformen besteht.The method for developing and/or producing cast components can also be used if the mold consists of only one or two or more partial molds.

Von Vorteil ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren zumindest Teile der Gussform durch Abtragen von Gießereiformstoff, wie beispielsweise gebundenen Sandkörnern, aus Rohblöcken bzw. vorgeformten Segmenten mit Werkzeugmaschinen, insbesondere mit Fräsmaschinen (z. B. aus gebundenen Sandblöcken bzw. vorgeformten Körpern) hergestellt werden. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit erheblich.It is advantageous if, in the method according to the invention, at least parts of the casting mold are produced by removing foundry molding material, such as bound sand grains, from raw blocks or preformed segments with machine tools, in particular with milling machines (e.g. from bound sand blocks or preformed bodies). . This increases the accuracy significantly.

Sinnvoll ist es, wenn die Genauigkeit anderweitig erhöht werden soll, wenn zumindest Teile der Gussform durch Auftragen von körnigem Material bzw. Pulver, insbesondere Sandkörnern mit Binder auf Werkzeugmaschinen unter Nutzung von 3D-Druckmaschinen hergestellt werden.It makes sense if the accuracy is to be increased in some other way if at least parts of the casting mold are produced by applying granular material or powder, in particular grains of sand with a binder, on machine tools using 3D printing machines.

Beim Verfahren wird nach Herstellung des ersten Gussbauteiles dieses genau vermessen und die Abweichung von der gewünschten Kontur wird zur Korrektur des Programmes zum Herstellen einer optimierten Gussform für das nachfolgend herzustellende Gussbauteil genutzt.In the method, after the first cast component has been produced, it is precisely measured and the deviation from the desired contour is used to correct the program for producing an optimized mold for the cast component to be produced subsequently.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wechselprozess Gießen - Messen - Korrigieren - Gussformherstellen so oft wiederholt wird, bis ein bzgl. der Geometrie optimales Gussbauteil entsteht.It is particularly advantageous if the alternating process of casting - measuring - correcting - making the mold is repeated until a cast component with the optimum geometry is produced.

Das Verfahren zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen kann weiter qualifiziert werden, wenn in der Gussform oder in einer oder mehreren Gussformteilen Trägerkonstruktionen, vorzugsweise räumlich variabel geformte Bewehrungseisen eingebracht sind, so das eine optimale Raumgitterstruktur entsteht, welche die möglichen individuellen Lastfälle in ihrer Gesamtheit berücksichtigt, so dass sowohl der Transport als auch die sichere Manipulation dieser Formelemente verbessert werden kann bzw. dies erst problemlos vereinfacht ermöglicht.The process for the development and/or production of cast components can be further qualified if support structures, preferably spatially variably shaped reinforcement bars, are placed in the mold or in one or more mold parts, so that an optimal spatial lattice structure is created, which the possible individual load cases in their entirety taken into account, so that both the transport and the safe manipulation of these form elements can be improved or this is only made possible in a simplified manner without any problems.

Von erheblichen weiterem Vorteil ist es, wenn das Gusssteil eine den jeweiligen Lastpfaden des fertigen Teils folgende Geometrie aufweist. Diese Geometrien werden in einem Optimierungsprozess mit einer geeigneten Topologieoptimierungs-Strategie unter Beachtung der geforderten Randbedingungen erstellt, wobei der Wechselprozess Gießen - Messen - Korrigieren - Gussformherstellen ebenfalls so lange wiederholt wird, bis ein bzgl. der Geometrie optimales Gussstück entsteht.It is of considerable further advantage if the cast part has a geometry that follows the respective load paths of the finished part. These geometries are created in an optimization process with a suitable topology optimization strategy, taking into account the required boundary conditions, with the change pro The process of casting - measuring - correcting - making molds is also repeated until a casting with the optimum geometry is produced.

Das Verfahren ist auch anwendbar, wenn die Gussformteile und/oder die gesamte Gussform durch Montage zweier oder mehrerer einzelnen Formelemente ausgebildet werden.The method can also be used if the mold parts and/or the entire mold are formed by assembling two or more individual mold elements.

Dabei ist es unerheblich, ob die montierten Gussformteile bzw. die gesamte Gussform im montierten oder teilmontierten Zustand transportiert werden.It is irrelevant whether the assembled casting mold parts or the entire casting mold are transported in the assembled or partially assembled state.

Beim Verfahren können die Gussbauteile je nach Bedarf ab- und/oder auftragend nachbearbeitet werden.During the process, the cast components can be reworked and/or reworked as required.

Es ist auch möglich, dass die ab- und auftragende Bearbeitung, welche die den Lastpfaden folgende Geometrie jeweils so weit optimiert, dass hinsichtlich Geometrie und damit Steifigkeit, sowie dynamischer Eigenschaften im Ergebnis des Verfahrens weitestgehend identische Gussbauteile entstehen.It is also possible that the removing and adding processing, which optimizes the geometry following the load paths, in each case to such an extent that in terms of geometry and thus rigidity, as well as dynamic properties, the result of the process is largely identical cast components.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen mittels einer Gussform oder zwei oder mehreren verbundenen Gussformteilen aus gebundenem körnigen Material, insbesondere Sand, ist so ausgebildet, dass in einem Arbeitsraum einer mehrachsigen Werkzeugmaschine durch ein in einer angetriebenen Spindel fixiertes geeignet ausgebildetes Werkzeug körniges Material von der Gussform oder den Gussformteilen definiert abgetragen wird, bis eine zur Herstellung eines Gussbauteiles geeignete Geometrie erzeugt wurde.The device according to the invention for the development and/or production of cast components by means of a mold or two or more connected mold parts made of bonded granular material, in particular sand, is designed in such a way that granular Material is removed from the mold or the mold parts in a defined manner until a geometry suitable for producing a cast component has been generated.

An dieser Vorrichtung zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen ist eine weitere Vorrichtung angeordnet, welche es ermöglicht, dass das beim Abtragen entstehende staubartige Material zumindest teilweise abgesaugt wird.A further device is arranged on this device for the development and/or production of cast components, which makes it possible for the dust-like material produced during removal to be at least partially sucked off.

Von Vorteil ist es, wenn bei der Vorrichtung zur Entwicklung und/oder Herstellung von Gussbauteilen im Arbeitsraum mehrere Formelemente, deren Bearbeitung zeitversetzt erfolgt, zumindest teilweise gleichzeitig im Arbeitsraum der mehrachsigen Werkzeugmaschine angeordnet sind damit sie in einem durchgehenden Arbeitsprozess bearbeitet werden können.It is advantageous if, in the device for the development and/or production of cast components in the working space, several shaped elements whose processing takes place at different times are arranged at least partially simultaneously in the working space of the multi-axis machine tool so that they can be processed in a continuous working process.

Die Vorrichtung zum Absaugen von staubförmigem Material kann auch so ausgebildet werden, dass mit ihr auch die Entfernung, grobkörnigeren Materials bis hin sogar das Entfernen abgetragener Formteile erfolgen kann.The device for sucking off dusty material can also be designed in such a way that it can also be used to remove coarser-grained material and even to remove worn-out molded parts.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiele entsprechend 1 näher erläutert werden. 1 zeigt ein optimiertes fertiges Gussbauteil mit einer den Lastpfaden folgender Geometrie bei Beachtung gießereitechnischer, mechanischer, fertigungstechnischer und montagetechnischer Randbedingungen. Zur Optimierung eines Gussbauteiles 7 werden zunächst die geometrischen Randbedingungen (max./min. Außenabmessungen etc.) und die Nondesign-Bereiche festgelegt. Weiterhin werden die wirkenden verschiedenen möglichen Lastfälle (die auf das Gussbauteil von unten wirkenden Lastfälle 4, die quer wirkenden Lastfälle 5 und die seitlich wirkende Lastfälle 6) ermittelt und einbezogen. Des Weiteren werden auch die anderen Anforderungen, welche auf den hinteren Auflagepunkt bzw. die Auflagefläche 1, den linken Auflagepunkt bzw. die Auflagefläche 2 und den rechten Auflagepunk bzw. die Auflagefläche 3 wirken eingerechnet und angetragen. Weitere mechanische Forderungen wie Eigenfrequenzen der Konstruktion, thermische Randbedingungen beim Abkühlen während der Herstellung des Gussbauteiles, sowie während dem bestimmungsgemäßen Gebrauch wirkende Kräfte, sowie Verformungen beim Ab- bzw. Auftragen während der mechanischen Bearbeitung (Fräsen, Bohren, Drehen, 3D-Druck) können festgelegt und einbezogen werden. Unter Nutzung konstruktionstechnischer Verfahren wird die Geometrie so verändert, dass sich die gewünschten jeweils optimierten Parameter für das fertige Gussbauteil einstellen lassen. Das kann iterativ erfolgen, indem die Geometrie verändert und das sich ergebende Gussbauteil erneut berechnet wird, wobei dieser Vorgang sich mehrfach wiederholen kann. Effektiv ist der Einsatz einer speziellen TopologieOptimierungs-Software, wobei entsprechend den gewählten Einzeltechnologien beim Ur-, Umformen oder/und der mechanischen Bearbeitung zusätzliche fertigungsbedingte Randbedingungen definiert werden können. Beispielsweise können partiell oder gesamtheitlich Entformungsrichtungen definiert werden, wenn zumindest teilweise modellbehaftet urgeformt werden soll. Die einzelnen Segmente der Gussform bzw. die gesamte ein- oder mehrteilige Gussform kann dabei wahlweise ab- und/oder auftragend hergestellt, gemessen und dem Gießprozess zugeführt werden. Für die Herstellung der Formsegmente können furanharzgebundene Blöcke, welche im Inneren oder berandend zur mechanischen Stabilisierung Elemente, wie beispielsweise geschweißte oder ungeschweißte Bewehrungseisen tragen können, eingesetzt werden, welche durch mechanische Entfernung (Fräsen) oder durch mechanisches Auftragen (3D-Druck) mit der geforderten Genauigkeit in die Zielgeometrie eingearbeitet werden. Nach vollständiger Abkühlung und Putzen des Bauteils wird dieses vermessen. Ebenfalls beispielsweise nach einer Schruppzerspanung erfolgt eine zeitlich gestaffelte Messung, bis keine weiteren Veränderungen der Messwerte anzeigt werden, bis das die Auflösung der Spannungen abgeschlossen und das Bauteil dauernd mechanisch und thermisch im Gleichgewicht ist. Alle ermittelten Messwerte werden für eine erneute Simulation und falls erforderlich eine Geometriekorrektur für das danach herzustellende Gussbauteil verwendet. Ziele sind die Optimierung des Aufmaßes, die Reduzierung des Energie- und Materialbedarfs beim Urformen sowie beim mechanischen Bearbeiten. Die Eignung der zeichnungsgerechten Fertigung für den Montageprozess kann ebenfalls auf diese Weise genaue überprüft werden. Im Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen Gussbauteile mit präziser Sollvorgabe, welche an sensiblen Stellen Bombagen, Kurven bis hin zu Freiformflächen vorgeben, um den Montageprozess und die Eigenschaften des finalen Produktes zu optimieren. Diese Änderungen werden wiederum iterativ dem geometrischen Modell der Gussform zugefügt, um den gesamten Prozess weiter zu optimierenThe method according to the invention is described below in accordance with an exemplary embodiment 1 be explained in more detail. 1 shows an optimized finished cast component with a geometry that follows the load paths, taking into account foundry, mechanical, manufacturing and assembly-related boundary conditions. To optimize a cast component 7, the geometric boundary conditions (max./min. external dimensions, etc.) and the non-design areas are first specified. Furthermore, the various possible load cases (load cases 4 acting on the cast component from below, load cases 5 acting transversely and load cases 6 acting laterally) are determined and included. Furthermore, the other requirements that affect the rear contact point or contact surface 1, the left contact point or contact surface 2 and the right contact point or contact surface 3 are also taken into account and applied. Other mechanical requirements such as natural frequencies of the construction, thermal boundary conditions during cooling during the manufacture of the cast component, as well as forces acting during intended use, as well as deformations during removal or application during mechanical processing (milling, drilling, turning, 3D printing) can occur be defined and included. The geometry is changed using construction engineering processes in such a way that the desired optimized parameters can be set for the finished cast component. This can be done iteratively by changing the geometry and recalculating the resulting cast part, and this process can be repeated multiple times. The use of special topology optimization software is effective, whereby additional production-related boundary conditions can be defined in accordance with the selected individual technologies for primary forming, forming and/or mechanical processing. For example, partial or total demolding directions can be defined if at least part of the primary shaping is to be based on a model. The individual segments of the casting mold or the entire one-part or multi-part casting mold can be produced, measured and supplied to the casting process either by removing and/or adding parts. For the production of the mold segments, furan resin-bonded blocks can be used, which can carry elements such as welded or unwelded reinforcing bars inside or on the edge for mechanical stabilization, which can be removed mechanically (milling) or mechanically applied (3D printing) with the required Accuracy can be incorporated into the target geometry. After the component has completely cooled down and been cleaned, it is measured. Also, for example, after roughing, a time-staggered Measurement until no further changes in the measured values are indicated, until the dissipation of the stresses is complete and the component is permanently in mechanical and thermal equilibrium. All measured values determined are used for a new simulation and, if necessary, a geometry correction for the cast component to be produced afterwards. The goals are to optimize the allowance and to reduce the energy and material requirements for primary shaping and mechanical processing. The suitability of the production according to the drawing for the assembly process can also be checked in this way. As a result of the method according to the invention, cast components are created with a precise target specification, which specify bulges, curves and free-form surfaces at sensitive points in order to optimize the assembly process and the properties of the final product. In turn, these changes are iteratively added to the geometric model of the mold to further optimize the entire process

BezugszeichenlisteReference List

11: hinterer Auflagepunkt bzw. Auflageflächerear support point or support surface
22: linker Auflagepunkt bzw. Auflageflächeleft contact point or contact surface
33: rechter Auflagepunk bzw. Auflageflächeright contact point or contact surface
44: von unten wirkende Lastfälleload cases acting from below
55: quer wirkende Lastfälletransverse loads
66: seitlich wirkende Lastfällelaterally acting loads
77: Gussformteilcast part

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 19649428 A1 [0003]
DE 19825448 A1 [0005]
DE 10156332 A1 [0006]
EP 1749596 A1 [0007]
EP 2825337 B1 [0008]

Claims

Process for the development and/or production of cast components, in particular of prototypes and/or product and/or process optimization in the repeated production of these or similar cast components using casting molds, characterized in that an optimized geometry with or without specification of loads and/or edge - and secondary conditions are generated by means of topology optimization, the material and/or the manufacturing technologies (primary or forming, mechanical processing) are defined and/or the process steps are optimized and/or the cast component (prototype) is manufactured and the real geometry is determined and compared with the theoretical one Target geometry is optimized again, with the individual process steps or the entire process chain being repeated until a result corresponding to the specifications is achieved and an optimized mold is generated from it.

Process for the development and/or production of cast components claim 1 , characterized in that for the production of cast components by pouring liquid metal into a mold, which is destroyed after the at least partial solidification of the melt (lost mold), the mold is produced at least partially replicating and/or applying and/or replicating.

Process for the development and/or production of cast components claim 2 , characterized in that the mold consists of one, two or more part molds.

Process for developing and/or producing cast components according to one of the preceding claims, characterized in that at least parts of the casting mold are produced by removing foundry mold material from ingots or preformed segments using machine tools, in particular milling machines.

Process for developing and/or producing cast components according to one of the preceding claims, characterized in that at least parts of the mold are produced by applying granular material or powder, in particular grains of sand with a binder, to machine tools, in particular 3D printing machines.

Method for developing and/or producing cast components according to one of the preceding claims, characterized in that after production of the first cast component, this is measured and the deviation from the desired contour is used to correct the program for producing an optimized mold for the cast component to be produced subsequently.

Process for the development and/or production of cast components claim 6 , characterized in that this alternating process of casting - measuring - correcting - casting mold production is repeated until a casting component with optimal geometry is produced.

Process for the development and/or production of cast components according to one of the preceding claims, characterized in that support structures, preferably reinforcing bars, are introduced into the mold or mold parts, which enable the transport and safe manipulation of these mold elements.

Method for developing and/or producing cast components according to one of the preceding claims. characterized in that the cast part has a geometry that follows the load paths, which is found in an optimization process with a suitable topology optimization strategy, taking into account the required boundary conditions, with the alternating process of casting - measuring - correcting - casting mold production being repeated until a casting that is optimal in terms of geometry.

Process for the development and/or production of cast components accordingly claim 2 or one of the following claims, characterized in that mold parts and/or the entire mold are formed by assembling two or more individual mold elements.

Process for the development and/or production of cast components accordingly claim 10 , characterized in that the assembled mold parts or the entire mold are transported in the assembled or partially assembled state.

Process for the development and/or production of cast components accordingly claim 1 , characterized in that the cast components are reworked from and/or applied.

Process for the development and/or production of cast components accordingly claim 6 , 7 , 9 and/or 12, characterized in that the removing and adding machining optimizes the geometry following the load paths, so that cast components that are largely identical in terms of geometry and thus rigidity and dynamic properties are produced.

Device for the development and / or production of cast components by means of a mold or two or more connected mold parts made of bonded granular material, in particular sand, characterized in that in a working space of a multi-axis machine tool by a tool fixed in a driven spindle, granular material from the mold or the casting mold parts is removed in a defined manner until a geometry suitable for the production of a cast component has been created.

Device for the development and / or production of cast components accordingly Claim 14 , characterized in that the dust-like material produced during removal is at least partially sucked off.

Device for the development and / or production of cast components accordingly Claim 14 , characterized in that several shaped elements, the processing of which takes place at different times, are arranged at least partially simultaneously in the working space of the multi-axis machine tool.

Device for the development and / or production of cast components accordingly Claim 14 , characterized in that the removal of removed mold parts or granular material is carried out by suction.