Entwicklung eines realitätsnahen Simulationsmodells für den Formsprühprozess im Leichtmetall-Druckguss

Die Temperatur ist die entscheidende physikalische Einflussgröße im Druckgieß-Prozess. Daher ist unter anderem die Kenntnis der Werkzeugtemperaturen während des Gießprozesses eine elementare Voraussetzung zur nachhaltigen Produktion von Gussbauteilen. Der Temperaturverlauf im Druckgießwerkzeug wird dabei primär durch die Erstarrung der flüssigen Schmelze und den Sprühprozess beeinflusst. Für die Konstruktion und Auslegung einer Druckgießform, speziell der internen Temperiersysteme, ist daher die frühzeitige Kenntnis der Temperaturen essentiell. Aus diesem Grund hält die thermische Zyklensimulation nachhaltig Einzug in den Werkzeugentstehungsprozess sowie die Prozessplanung.

Dazu stehen heute umfangreiche Simulationslösungen zur Verfügung. Allen, die im Leichtmetall-Druckguss Anwendung finden, ist aber gemein, dass sie den Sprühprozess stark vereinfacht modellieren. Darüber hinaus ist die heute verfügbare Datenbasis zu relevanten Eingangsparametern, vor allem dem Wärmeübergangskoeffizienten, nicht mehr ausreichend für komplexe Simulationen. In Summe hat dies zur Folge, dass keine exakten Temperaturen berechnet werden können, was wiederum dazu führt, dass keine valide Grundlage für die Werkzeug- und Prozessauslegung vorhanden ist. Aus diesem Grund wird in der folgenden Forschungsarbeit die Entwicklung eines neuen Simulationsmodells vorgestellt, welches den Formsprühprozess realitätsnah abbildet.

Dabei kann gezeigt werden, dass die Abbildung des Sprühprozesses durch die Kopplung mit der virtuellen Prozessplanung im Simulationsmodell realisiert wird. Darüber hinaus werden temperatur- und prozessabhängige Wärmeübergangskoeffizienten als Eingangsparameter für die thermische Simulation ermittelt. Zu deren Erhebung wird ein automatisierter Prüfstand aufgebaut, der den realen Druckgieß- und vor allem den Sprühprozess in ein Grundlagenexperiment überträgt. Zur Validierung des neuen Sprühmodells und der darin verwendeten, experimentell ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten erfolgt ein Abgleich mit Temperaturverläufen aus einer Gießkampagne im Kaltkammer-Druckguss. Dabei wird nachgewiesen, dass die Verwendung des neu entwickelten Sprühmodells eine erhebliche Verbesserung der Vorhersagegenauigkeiten in Hinblick auf Werkzeugtemperaturen ermöglicht. Zum Abschluss folgt darüber hinaus der Nachweis, dass der Sprühprozess auf Basis der thermischen Simulationsergebnisse mittels virtueller Prozessplanung offline programmiert und in die reale Gießzelle übertragen werden kann.