Numerische Modellierung eines industriellen Giessverfahrens von Bimetall-Legierungen

Experimentelle Ermittlung von Prozessparametern und Kühlleistung, sowie inverse Modellierung des Wärmeübergangskoeffizienten durch Lösen der Wärmediffusionsgleichung.

Kugler Bi Metal SA stellt bi-metallische Gleitlager aus Bronzelegierungen und Stahl her. Dabei wird die Rohgeometrie (Stahl) mit einer Bronzelegierung ein- oder mehrseitig beschichtet und nachbearbeitet. Somit entstehen aus der Kombination von gehärtetem Stahl und den Gleiteigenschaften der Bronzelegierungen optimale Lager für viele Einsatzmöglichkeiten, wie Transport, Aviatik und Hydraulik. Beim Giessverfahren und der anschliessenden Abkühlung ist eine homogene Erstarrungsfront im Bauteil anzustreben, um Risse und Mikroporositäten in der Bronzelegierung zu vermeiden.

Im Innovationsprojekt, unterstützt von Innosuisse, wird durch Charakterisierung und Optimierung des bestehenden Abkühlprozesses von bi-metallischen Gleitlagern deren Qualität erhöht und Betriebskosten reduziert.

Aus experimentellen Untersuchungen der Prozessparameter des Abkühlprozesses werden die Anfangs- und Randbedingungen für eine thermo-mechanische Simulation definiert. Diese Simulation begründet die Grundlage zur Entwicklung einer Comsol-App, welche es Anwendern in der Giesserei ermöglicht die entsprechende Bauteilgeometrie hochzuladen und anhand der App die optimalen Prozessparameter und Abkühlbedingungen einzustellen.

Mittels Thermokameraaufnahmen (linkes Bild) und Thermoelementen wurde der Abkühlprozess sowie die Erstarrung der Bronzelegierung charakterisiert. Anhand der experimentell ermittelten Abkühlkurven konnte durch inverse Modellierung der Wärmediffusionsgleichung, der Wärmeübergangskoeffizient (α) berechnet werden. Daraus wurde eine α-Map erstellt (Mitte), welche wiederum als Randbedingung für die thermo-mechanische Simulation implementiert wurde. In einem iterativen Prozess zwischen Experiment und Simulation konnte die Simulation verifiziert werden. Des Weiteren wird die Simulation dazu genutzt, für bestimmte Abkühlcharakteristika Defekte und Mikroporositäten im Bauteil zu lokalisieren, welche anschliessend experimentell hergestellt und durch unser Partnerinstitut, dem Institut für Produkt- und Produktionsengineering FHNW, mittels Materialanalysen untersucht werden.