다이캐스팅 부품의 공동 및 복합 주조 – 수치 해석적 설계 방법 및 실험적 검증

본 소개 논문은 [Publisher]에서 발행한 논문 "Hohl- und Verbundguss von Druckgussbauteilen – Numerische Auslegungsmethoden und experimentelle Verifikation"의 연구 내용입니다.

1. 개요 (Overview):

• 제목: Hohl- und Verbundguss von Druckgussbauteilen – Numerische Auslegungsmethoden und experimentelle Verifikation (다이캐스팅 부품의 공동 및 복합 주조 – 수치 해석적 설계 방법 및 실험적 검증)
• 저자: Paul Fickel
• 출판 연도: 2017
• 게재 저널/학회: Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgart (슈투트가르트 대학교 에너지, 공정 공학 및 생명 공학 학부)
• 키워드: Hinterschnitten (언더컷), Druckguss (다이캐스팅), Salzkerne (염심), St-Al-Verbunde (강철-알루미늄 복합재), Numerische Auslegungsmethoden (수치 해석적 설계 방법), experimentelle Verifikation (실험적 검증)

2. 초록 (Abstract)

최신 기술에 따르면 언더컷이 있는 알루미늄 고압 다이캐스팅(HPDC) 부품의 제조 공정은 HPDC 도구에 통합된 복잡한 슬라이더를 사용해야만 가능합니다. 샌드코어, 유체 분사, 유리 코어, 금속 용융 코어 또는 압축 솔트 코어와 같은 알려진 시스템은 HPDC 공정에서 제한적으로만 사용할 수 있습니다.

따라서 현재 액상에서 제조된 솔트 코어와 금속 인서트만이 HPDC에서 성공적으로 사용될 가능성이 있습니다. 주조된 솔트 코어는 높은 수준의 굽힘 및 압축 강도를 달성하고 알루미늄 주조 공정 후 예를 들어 워터젯 절단으로 잔류물 없이 제거할 수 있습니다.

알루미늄 주조에 남아 있는 강철 인서트는 부품을 보강합니다. 이 작업은 주조 솔트 코어 제조를 가능하게 하는 몇 가지 기본 연구를 제시합니다. 예비 조사에서 염화나트륨-탄산나트륨 상 도표 내의 솔트 합금이 추가 조사를 위해 선택됩니다. 주요 시험편을 기반으로 공정 매개변수의 의존성과 결과 강도 및 고온 균열 경향이 입증될 것입니다. 기계적 특성화를 위해 굽힘, 인장 및 압축 시험이 실온 및 최대 500°C의 온도에서 수행됩니다. 솔트 코어 주조 공정의 수치 시뮬레이션에 대한 접근 방식이 제시되고 실험 결과로 검증됩니다.

솔트 코어 외에도 강철 인서트가 조사되었고 알루미늄-강철 복합 구조가 특성화되었습니다. 힘-, 형태- 및 화학적 결합이 고려되었습니다. 강철 인서트와 알루미늄 주조 간의 더 나은 화학적 결합을 위해 다양한 코팅이 적용되고 등급이 매겨졌습니다. 기계적 인발, 압착, 전단 및 접착 인장 시험과 광학 및 주사 전자 현미경 조사가 연결 품질을 특성화하기 위해 수행되었습니다.

이를 바탕으로 수치 시뮬레이션 방법이 개발되었습니다. HPDC 공정 중 솔트 코어 및 강철 인서트의 생존 가능성 및 파괴 거동이 조사되었습니다. 따라서 코어 생존 가능성을 예측하기 위해 수치적 방법이 도입되고 실험 결과로 검증되었습니다. 두 기술 모두 응용 예제에 적용되었습니다.

3. 연구 배경 (Research Background):

연구 주제 배경 (Background of the research topic):

언더컷이 있는 알루미늄 구조 부품을 생산하는 데에는 슬라이더, 모래 시스템, 가스 주입 공정, 유리 코어, 금속 용융 코어 또는 압축 솔트 코어를 사용하는 것이 다이캐스팅 공정에서 제약이 따릅니다. 현재 액상에서 생산된 솔트 코어와 영구 금속 인서트만이 다이캐스팅에 사용될 가능성이 있습니다.

선행 연구 현황 (Status of previous research):

2장에 자세히 설명된 이전 연구에서는 다음을 포함하여 다이캐스팅에서 언더컷을 생성하는 다양한 방법을 탐구했습니다.

• 공정 관련 접근 방식: 슬라이더 기술(Schiebertechnologie) 및 가스 주입(Gasinjektion).
• 영구 인서트: 금속 폼(Metallschäume), 강철 및 경금속 인서트(Stahl- und Leichtmetalleinleger), Combicore 인서트 튜브(Combicore Einlegerohre).
• 소실성 코어 기술: 다이캐스팅 공정에서의 소실성 코어(Verlorene Kerntechnologie)에 대한 현재 접근 방식, 특히 다이캐스팅에서 언더컷을 생성하기 위한 솔트 코어(Salzkerne zur Herstellung von Hinterschnitten im Druckguss).
  • 다이캐스팅에서 인서트의 수치 모델링.

연구 필요성 (Need for research):

경량 구조를 가능하게 하기 위해 현재 주조 공정 및 재료를 개발할 필요가 있습니다. 특히, 압력 저항성 소실성 코어(세라믹 또는 염)의 개발과 고강도 금속 인서트를 사용한 다이캐스팅 공정의 최적화가 필요합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문 (Research purpose and research question):

연구 목적 (Research purpose):

전반적인 목표는 주조 염 코어를 사용하여 힘-맞춤, 형태-맞춤 및 일체 결합된 강철-알루미늄 연결부와 복잡한 중공 주물을 수치 해석적으로 설계하는 데 필요한 데이터를 개발하는 것입니다. 이 연구는 St-Al-Verbundguss (강철-알루미늄 복합 주조) 및 Salzkerne (솔트 코어)의 사용을 조사합니다.

핵심 연구 (Core research):

• 주조 솔트 코어 생산을 위한 기초를 실험적, 수치 해석적으로 연구.
• 염화나트륨-탄산나트륨 상 도표에서 염 합금 선택.
• 실험 연구로 검증된 염심 제조 공정을 위한 시뮬레이션 방법 확립.
• 다이캐스팅에서 강철 인서트 연구.
• 강철 인서트와 알루미늄 주조의 화학적 결합 개선을 위해 다양한 코팅 적용 및 평가.
• 기계적 시험 및 금속 조직학적 기술로 특성화.
• 연결(힘-, 형태- 및 일체 결합)을 위한 시뮬레이션 방법 개발 및 적용.
• 다이캐스팅 시험에서 코어 하중 및 손상 거동 조사.

5. 연구 방법론 (Research Methodology)

이 연구는 실험적 방법과 수치 해석적 방법을 모두 사용합니다.

• 실험적 방법 (Experimental): 기본 형상 및 시험편, 금형 설계, 시험 환경을 만듭니다. 염 합금 변화를 계획하고 기계적 및 금속 조직학적 기술을 사용하여 재료를 특성화합니다. 굽힘 봉 및 나선형 주조 시험을 사용하여 재료 모델을 조정합니다. 주조 공정 또한 실험을 사용하여 검토합니다.
• 수치 해석적 방법(Numerical): 솔트 코어 제조 공정, 열 균열 예측, 포위 공정 표현을 위한 시뮬레이션 모델을 개발합니다. 솔트 코어 및 인서트 하중 예측과 강철-알루미늄 복합재를 특성화하고 수치 해석적으로 표현하기 위해 시뮬레이션을 수행합니다. 또한, 접착 연결 모델링을 위한 방법도 개발합니다.
• 분석 방법 (Analysis method): 유한 차분법(Finite-Difference-Method, FDM), 유한 요소법(Finite-Element-Method, FEM)

6. 주요 연구 결과 (Key research results):

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석 (Key research results and presented data analysis):

이 프로젝트는 검증된 시뮬레이션 방법 개발과 실험적 조사를 결합합니다. 이 연구는 솔트 코어 생산, 다이캐스팅 중 코어 및 인서트 하중, 그리고 결과적인 강철-알루미늄 복합재의 특성화/시뮬레이션 프로세스를 이해하는 데 중점을 둡니다. 염 조성 및 주조 매개변수는 열 균열과 같은 결함 형성에 상당한 영향을 미쳤습니다.

7. 결론 (Conclusion):

주요 결과 요약 (Summary of key findings):

• 주조 솔트 코어 와 강철-알루미늄 복합재를 위한 실험적 및 수치해석적 방법 개발
• 솔트 코어 재료 및 공정 매개변수가 코어 품질에 미치는 영향 규명
• 강철-알루미늄 복합재의 다양한 결합 메커니즘(힘-맞춤, 형태-맞춤, 재료-맞춤) 규명 및 모델링
• 다이캐스팅 공정 중 솔트 코어 및 강철 인서트의 하중 및 파손 거동 예측
• 실제 적용 사례(A-필러, 실린더 냉각)를 통한 연구 결과 검증

향후 확장 연구 가능 분야 (Possible areas for future expansion research):

• Further investigation into lost-core technology.
• Development of improved methods for modeling and predicting chemical bonds between dissimilar materials in cast components.
• Investigation into the long-term durability and performance.

8. 그림 목록 (List of figure names):

• Abbildung 1.1: a) Rohbau des Mercedes SL (BR231) inkl. Angabe der verwendeten Materialien, b) Druckgusskurbelgehäuse am Beispiel eines Reihenvierzylinders M274
• Abbildung 2.1: a) Fluidmanagementmodul mit sieben Schiebern [9], b) Druckgusswerkzeug mit komplexem Schieber (1), Schieberkulisse (2) und Hydraulikaggregat (3) [10][11]
• Abbildung 2.2: Ölfiltergehäuse mit dreidimensional verlaufenden medienführenden Kanälen [9] a) Gussbauteil, b) Röntgenaufnahme des Gussbauteils, c) Schnitt der Hohlgeometrie
• Abbildung 2.3: Demonstratorbauteil mit umgossenem Schaumkern [13], a) Demonstrator in der Ansicht von oben und im Schnitt, b) Ausschnitt aus umgossener Schaumplatte
• Abbildung 2.4: Beispiel für eine Verbundgussanwendung a) Variostruct®-Hybrid Stahl-Aluminium mit Anschnitten und Überlauf [17], b) Prinzipgeometrie ausgeführt als Formschlussprobe [17], c) Dachquerträger als SADH (Stahlblech-Aluminiumdruckguss-Hybrid) [17][21]
• Abbildung 2.5: Beispiele für einen Verbundgussdemonstrator [22] sowie die Bildung von intermetallischen Phasen im Benetzungs- und Tauchversuch zwischen Stahlblechen und Aluminiumlegierungen: a) Eine kraft-und formschlüssige Stahl-Aluminium Verbindung, hergestellt im Squeezecasting-Verfahren, b) Benetzungsprobe Stahl-Al99,98 [24], c) oben: Al-Al-Verbindung nicht behandelt; unten: Al-Substrat behandelt mit 3-stufigem Prozess [25]
• Abbildung 2.6: Combicore-Einlegerrohre[38]; a) Darstellung verschiedener Einlegerrohre zur Realisierung verschiedener Kanalgeometrien, b) Schnitt durch ein umgossenes Combicore-Rohr, c) Teilschnitt eines Combicore-Rohr inkl. eingebetteter Drahtwendel
• Abbildung 2.7: Darstellung von Hohlräumen mit Sand- und metallischen Ausschmelz-kernen: a) Druckgussbauteil mit Sandkern, oben: Längsschnitt durch Umgussbauteil, unten: entkerntes Bauteil [6], b) Druckgussbauteil mit Ausschmelzkern, oben: Längsschnitt durch Umgussbauteil, unten: aufschmelzendes metallisches Kernmaterial [6]
• Abbildung 2.8: Darstellung von Hohlräumen mittels Glas- und Keramikkernen: a) Glaskern und dazugehöriges Umgussbauteil für ein Pumpengehäuse [44], b) Prototyp eines Einzylinder-motorblocks, hergestellt mittels Keramikkern [44]
• Abbildung 2.9: Salzkerne für Gießanwendungen: a) oben: Geschossener Salzkern; unten: Im Druckgussverfahren hergestellter Salzkern [12], b) gepresste und gesinterte Salzkerne der Fa. Emil-Müller-GmbH / CeramTec AG [48]
• Abbildung 2.10: Gepresste Salzkerne und Druckgussumguss a) links: gepresster Salzbiege-riegel und Umgussbauteil; rechts: CT-Aufnahme des Umgussbauteils [10], b) entkerntes verripptes Hohlgussbauteil, hergestellt mit einem gepressten Salzkern [52]
• Abbildung 2.11: Bühler Pilotbauteil [54]: a) Salzkern Pilotbauteil, b) Schnitt durch Pilotbauteil mit sichtbarem Salzkern, c) Schnitt durch Pilotbauteil entkernt
• Abbildung 2.12: Phasendiagramm für NaCl+Na2CO3 [62] mit eingezeichneten Gitterstruktur-änderungen und dazugehörigen Gittertypen
• Abbildung 2.13: Schematische Abbildung der Kristallstruktur und des Risswachtstums für verschiedene Salzzusammensetzungen, a u. b : Eutektische Zusammen-setzung, c u. d: Reinsalz, e u. f: Zusammensetzung zwischen Eutektikum und Reinsalz [56]
• Abbildung 2.14: Diskretisierung eines Kreisbogens im Beispiel mit a) der Finite-Differenzen-Methode und Viereckselementen und b) der Finite-Element-Methode und unstrukturierten Dreickeckselementen, nach [72]
• Abbildung 2.15: Belastungssimulation für Salzkerne im Druckguss: a) Darstellung mean iso stress der Bühler Salzkerne bei Anschnittgeschwindigkeit 80 m/s oben und 120 m/s unten [86]
• b) Belastung für gepresste Salzkerne bei Anschnitt-geschwindigkeit 15 m/s oben und 35 m/s unten [10]
• Abbildung 3.1: Vorgehensweise und Arbeitspakete der vorliegenden Arbeit
• Abbildung 4.1: Darstellung der Biegestab-, Gießspiralen- und Zugstabkokille für die Salzkernprinzipuntersuchungen
• Abbildung 4.2: Skizzierter, nicht maßstabsgetreuer Versuchsaufbau für die Prinzip-untersuchungen mit der Biegestab- und Spiralkokille
• Abbildung 4.3: a) Aufbau des 3-Punkt-Biegeversuchs für die Ermittlung der Biegefestig-keiten von Salzkernen; b) Aufbau der Druckprüfung inkl. Probenabbildung zur Ermittlung der Druck-festigkeiten von Salzkernen; c) Prüfaufbau für die Zugprüfung
• Abbildung 4.4: Na2Cl-Na2CO3 Phasendiagramm inkl. eigezeichneter molarer Zusammen-setzungen für die Voruntersuchungen und Bereiche mit den zu erwartenden höchsten mechanischen Festigkeiten
• Abbildung 4.5: a) Gegenüberstellung der gemittelten Abkühlkurven für die Salzlegierungen Nr. 1 bis Nr. 7. b) Exemplarische Ergebnisdarstellung der stark untereutektischen, der unter-eutektischen und der stark übereutektischen Salzlegierungen für die Voruntersuchungen zur Auswahl einer geeigneten Salzlegierungsmischung
• Abbildung 4.6: a) Darstellung der Abkühlkurven im Mehrfachkokillen Gießexperiment für die Prozessparameterkombination =720 °C/ = 300 °C, =700 °C/ = 200 °C und = 680 °C/ = 100 °C b) Vorgehen zur Ermittlung der Abkühlraten im Biegestäbchen-gießversuch exemplarisch dargestellt an dem Prozessparameter TS =720 °C, TK =300 °C
• Abbildung 4.7: Darstellung der Gießspiralen bei den Prozessparametern = 720 °C/ = 300 °C, =700 °C/ = 200 °C und =680 °C/ = 100 °C
• Abbildung 4.8: Übersicht der Rissentstehung in der Warmrissprobe bei = 700 °C, die Ergebnisse sind tabellarisch dargestellt bei = 100 °C, 200 °C und 300 °C sowie der Ausformzeit von 15 s, 30 s, 45 s und 60 s inkl. Beispiel für die Rissgruppeneinteilung
• Abbildung 4.9: Simulationsmodell für die Mehrfachkokille in Flow3D, Darstellung der Ver-netzung, der Einfüllöffnung und der History Probes zur Aufzeichnung der Temperaturkurven
• Abbildung 4.10: Netzrandbedingungen und Oberflächentemperaturen im Mehrfachkokillen-modell dargestellt für = 100 °C, = 200 °C und = 300 °C
• Abbildung 4.11: a) Gießspiralemodell in Flow3D mit Darstellung der Schmelzeinitiierung (1) und der Vernetzung der Spirale (2 u. 3), b) Oberflächentemperaturen der Spiralkokille bei 100 °C, 200 °C und 300 °C Kokillentemperatur
• Abbildung 4.12: a) FDM-Vernetzung der Rissprobengeometrie, b) FEM-Vernetzung der Rissprobengeometrie, c) FEM Vernetzung der Mehrfachkokille zur Realisierung der Festkörperinteraktion zwischen Kokille und erstarrender Schmelze
• Abbildung 4.13: Darstellung des Temperaturfeldes im Verlauf der Erstarrung im Längschnitt bei der Rissprobengeometrie für das FDM-Netz (oben) und FEM-Netz (unten)
• Abbildung 4.14: a) Prinzipgeometrie für Verbundgussuntersuchungen inkl. Angabe des Umguss- und Einlegermaterials und Darstellung der Zugprobenentnahme-bereiche; b) Einleger-variation im Druckgussversuch, 1: geteiltes Rohr für Auszugversuche, 2: 30 mm Salzkern für Aluminiumcharakterisierung, 3: 17 mm Salzkern zur Darstellung der Einlegerbelastung
• Abbildung 4.15: a) Modulares Werkzeugkonzept für die Druckgussuntersuchungen. Gekennzeichnet sind der Formrahmen, die Entlüftung, der Werkzeugeinsatz und der 6 mm sowie 3mm Anschnitt, b) Schematische Darstellung des Druckgussumgussprozesses mit dem 6mm Anschnittsystems und prozesstechnischer Abfolge (1-3). In 2.1 – 2.3. sind zudem die neben dem Stahlrohr alternativen Einleger dargestellt.
• Abbildung 4.16: Darstellung der Versuchsergebnisse aus den Druckgussumgussversuchen, a) Verbundgussgeometrie mit 3mm-Anschnitt mit eingezeichneten Trennebenen und Zugprobenentnahmeposition, b) Verbundgussgeometrie mit 6mm-Anschnitt, c) Umguss-geometrie mit ∅ 17 Salzkern, d) Umgussgeometrie mit ∅ 30 Salzkern, e) Darstellung der Abbildungen a - d in den Seitenansicht
• Abbildung 4.17: Darstellung des Niederdruckgussprozesses für die Herstellung der Verbundgussgeometrie als CAD-Geometrie und Realbauteil. Dargestellt sind die Einlegertechnik (1) und (2) sowie die Formpakete (3) und das zentrale Anschnittsystem
• Abbildung 4.18: Darstellung der Versuchsabgüsse im Niederdruckguss: a) Darstellung der ∅ 17 und ∅ 30 Salzkerne und der Thermoelementpositionen (1) an den Stahlrohren, b) Gussrohling der Niederdruckgussversuche, c) Verputzte Versuchsgeometrie mit eingezeichneter Schnittebene
• Abbildung 4.19: a) Flow3D Modell für die Abbildung der Druckgussexperimente; Dargestellt sind die charakteristischen Modellinhalte 1-7 sowie der Übergang an der Vernetzung (8) mit unterschiedlicher Netzgröße, b) Darstellung der FEM-Vernetzung der Einlegerhülsen mit Salzkern sowie des Stahlrohrs und der Kavität
• Abbildung 4.20: Prozessablauf eines Druckgussumgussversuchs, dargestellt an dem Kolben-druck und der Kolbengeschwindigkeit über der Prozesszeit sowie an charakteristischen Zeitpunkten aus der Füllsimulation
• Abbildung 4.21: Darstellung der von Mises-Spannung im Salzkern und der Schmelze-geschwindigkeit für drei charakteristischer Zeitpunkte im Füllprozess der Umgussprinzip-geometrie, a) Umschaltpunkt von erster zur zweiten Phase, b) erstes Auftreffen der Schmelze auf den Salzkern, c) Nachdruckphase
• Abbildung 4.22: Vorgehen beim Auszugversuch zur Charakterisierung der Anbindungsqualität zwischen Stahleinleger und Aluminiumumguss, a) ungeprüfte Auszugprobe und Prüfaufnahme, b) Versuchsaufbau im CAD-Schnitt und Realbauteil, c) teilgeprüfte Probe nach 15 mm Traversenverfahrweg, d) vollständig ausgezogene Probe im CAD-Schnitt und Realbauteil
• Abbildung 4.23: a) Ausdruckversuch zur Charakterisierung der Anbindung zwischen Einleger und Umgussmaterial und Darstellung der Ringbeschriftung, b) Aufbau für die Haftzugprüfung an der geteilten Verbundguss-Ringgeometrie, exemplarisch dargestellt für eine feuerverzinkte Probe
• Abbildung 4.24: a) Schwerzugversuch für die Charakterisierung der Anbindung auf Scherung, b) exemplarische Darstellung einer geprüften Haftzug- bzw. Scherzugprobe am Beispiel eines feuerverzinkten Stahleinlegers
• Abbildung 4.25: Stahl-Aluminiumverbundgussbauteil mit Zink-Zwischenschicht, hergestellt im Druckguss: a) Lichtmikroskop-, b) Rasterelektronenmikroskopaufnahme
• Abbildung 4.26: a) Technische Zeichnung der Miniflachzugprobe mit einer Wandstärke von 2mm, b) Fließkurvenapproximation am Beispiel AlSi9MgMn-T6
• Abbildung 4.27: Auswertung der Härtemessung nach Brinell für die Zugprobe und die Umgussgeometrie mit einer linearen Ausgleichsgerade, für beide Härtewertkurven
• Abbildung 4.28: Darstellung der gemessenen Fließkurven bis 30 % plastischer Dehnung für AlSi9MgMn-F mit der Endung –a; Die approximierten Kurven nach dem Hocket-Sherby-Model sind mit der Endung –g bezeichnet
• Abbildung 4.29: Temperaturaufzeichnungen der Schmelzetemperaturen an der Rohraußen-fläche und Rohrinnenfläche mittig in axialer Richtung aus dem Druckgussumgussversuch für Schussnummer 12 und 13
• Abbildung 4.30: a) FEM-Modell für die Abkühl- und Auszugsimulation in ABAQUS dargestellt im 34 Schnittmodell und im 2D-Model, b) Schematische Darstellung der theoretischen Berechnungsvorgehensweise zur Abkühl- und Auszugsimulation in ABAQUS
• Abbildung 4.31: a) Darstellung der maximalen Auszugskraft in Abhängigkeit verschiedener Kontaktdefinitionen einer Importberechnung in Abaqus, b) Einfluss des Penalty Scale Faktors auf die maximale Auszugskraft
• Abbildung 4.32: a) Darstellung des Abkühlmodells im 34 -Schnitt für die Ausdruck-simulation, b) Ausdruckmodell im 34 -Schnitt mit Halter und Stempel, c) 2D-Darstellung des Ausdruck-modells, d) Vernetzung und Spalte an den Kontaktflächen zwischen Stahlring und Stempel sowie Aluminium und Halter
• Abbildung 4.33: a) Schematische Darstellung der Funktionsweise von kohäsiven Elementen und kohäsiven Kontaktflächen, b) Schädigungstheorie zur Beschreibung von kohäsiven Elementen und kohäsiven Flächen in Abaqus 6.13 [113]
• Abbildung 4.34: a) Darstellung eines feuerverzinkten Stahlrings nach dem Ausdruckversuch mit geschädigter intermetallischer Phase, b) Kraft- und Stoffschlussbereich im 3D-Ausdruck-modell aufgezeigt am Aluminiumumgussbereich
• Abbildung 4.35: a) Darstellung eines feuerverzinkten Stahlrings nach dem Haftzugversuch mit eingezeichneter geschädigter intermetallischer Phase, b) Darstellung des numerischen Modells zur Abbildung des Haftzugversuchs inkl. Rand-bedingungen und getrenntem Zustand
• Abbildung 4.36: a) Darstellung eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms mit der Beschreibung eines Schadenfortschrittes und Verringerung der Elastizität ab Initiierung; Abbildung einer Kurve mit und ohne Schädigung [113], b) Abbildung der fünf verschiedenen Spannungs-zustände mit beispielhaften Probengeometrien für die Ermittlung der Triaxialitäts-zustände η von -0,666 bis + 0,666
• Abbildung 4.37: Proben zur Ermittlung des Verhaltes unter verschiedenen Spannungs-zuständen a) Druckprobe, b) Kerbzug R4, c) Scherzug 0°, d) Scherzug 45°
• Abbildung 4.38: Iterativ ermittelte Kraft-Weg-Kurven in ABAQUS für die Legierung AlSi7Mg0,15-F am Beispiel des Zug- und Kerbzugversuchs sowie der beiden Scherzugversuche bei 0° und 45. Zudem ist der jeweilige Vergleich zwischen der optischen Aramis-Messung (links) und der numerischen Simulation (rechts) dargestellt. Als Skala wird die Vergleichs-dehnung nach von Mises verwendet
• Abbildung 4.39: a) Versuchsaufbau für die Druckprüfung inkl. Darstellung der Druckprobe im Ausgangszustand und nach Ende der Verfahrweges für die AlSi7Mg0,15-Legierung im F- und T7-Zustand; b) Vergleich der numerischen Simulation und des experimentellen Kraft-Weg-Verlaufs im Druckversuch exemplarisch für AlSi7Mg0,15-T7
• Abbildung 4.40: Exemplarische Darstellung der wahren plastischen Dehnung bei Versagen über der Triaxialität η inklusive Triaxialitätsverlauf und Mittelwert bis zum Versagen im kritischen Element für die Legierung AlSi7Mg0,15-F
• Abbildung 4.41: Schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Dehnung ε und der Dehnrate ε̇ , verursacht durch primäres (1), sekundäres (2) und tertiäres (3) Kriechen bei metallischen Werkstoffen bis zum Bruch [117]
• Abbildung 4.42: a) Technische Zeichnung der Zeitstandprobe für die Untersuchung des Kriechverhaltens der verwendeten Aluminiumlegierungen, b) Versuchs-aufbau für die Zeitstandversuche
• Abbildung 4.43: Darstellung der Zugfestigkeit (a) und Streckgrenze (b) für die Aluminium-legierung AlSi7Mg0,15 über Temperatur
• Abbildung 4.44: Darstellung der Stufenzeitstandversuche für die Legierung AlSi7Mg0,15-F für a) bei der Temperatur 350 °C und b) bei der Temperatur 400 °C
• Abbildung 4.45: Ermittlung der Dehnrate ε̇ cr für die Stufenzeitstandversuche der Aluminium-legierung AlSi7Mg0,15-F a) bei der Temperatur 350 °C und b) bei der Temperatur 400 °C
• Abbildung 4.46: Parameterermittlung für das Kriechmodel nach Norton für AlSi7Mg0,15-F
• Abbildung 4.47: Vergleich zwischen der numerischen Simulation und den experimentellen Versuchen für die Stufenzeitstandversuche der Aluminiumlegierung AlSi7Mg0,15-F für a) bei der Temperatur 350 °C und b) bei der Temperatur 400 °C
• Abbildung 5.1: a) Darstellung der ermittelten 3-Punkt-Biegefestigkeiten in Abhängigkeit der Zusammensetzung; Zudem die Darstellung der ermittelten Festigkeiten nach Yaokawa [56], b) Darstellung des Bruchzeitpunkts bei der Warmrissprobe und der Randfaserdehnung in der Drei-Punkt-Biege-Prüfung in Abhängigkeit der Salzkernzusammensetzung
• Abbildung 5.2: a) Darstellung der Temperatur bei Bruch und der Zeit bis zum Erreichen der 400 °C Grenze für die untersuchten Legierungen Nr. 2 bis Nr. 7, b) Darstellung der Abkühl-raten für die Salzmischung Nr. 2, Nr. 5, Nr. 6 und Nr. 7 für den Bereich 1: Messpunkt 1 – Liquidus, Bereich 2: Liquidus – Solidus und Solidus – 400 °C
• Abbildung 5.3: Gefüge der DoE5 mittig und im Randbereich mit x300 Vergrößerung
• Abbildung 5.4: Vergleich der Abkühlraten mit der Erstarrungsmorphologie der DoE-Gießserien. Dargestellt sind drei charakteristische Proben mit den minimalen, mittleren sowie maximalen errechneten Abkühlraten.
• Abbildung 5.5: a) Gegenüberstellung der 3-Punkt-Biege-, Zug- und Druckfestigkeiten sowie des E-Moduls der ausgewählten Salzkernlegierung bei Raumtemperatur bis 400 °C, b) Darstellung der gemessenen Dehnung im 3-Punkt-Biegeversuch und Zugversuch in Abhängigkeit der Temperatur
• Abbildung 5.6: Mittlere 3-Punkt-Biegefestigkeit der mechanisch bearbeiteten Salzproben inkl. Standardabweichung und Auflageposition im Biegeversuch. Schematisch sind in der Biegeprobe im Längsquerschnitt der Ursprungsquerschnitt, die Trennebene und der durch Bearbeitung erzeugten Prüfquerschnitt eingezeichnet.
• Abbildung 5.7: Simulationsergebnis aus der Formfüll- und Erstarrungssimulation in Flow3D; dargestellt wird die Temperaturverteilung der Kokille vor dem Gießvorgang bis hin zum Zeitpunkt der Entformung des Biegestäbchens nach 90 s
• Abbildung 5.8: Darstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufs für die Schmelzetemperatur in der Kavität und der Wandtemperatur nahe der Kavität für das Experiment und die numerische Berechnung sowie der Festkörperanteil (Solid Fraction) während des Füllvorganges bis 1,8 s Prozesszeit.
• Abbildung 5.9: Vergleich der experimentell und numerisch ermittelten Temperaturkurven; Dargestellt wird der Temperaturverlauf in der Mitte des Salzbiegestäbchens während des Gießprozesses. Als numerisches Materialmodell wird der iterativ bestimmte, finale Datensatz SFQ9V3 zugrunde gelegt.
• Abbildung 5.10: Füllvorgang beim Spiral-Kokillenguss dargestellt in acht Schritten
• Abbildung 5.11: Vergleich der Spirallängen zwischen Experiment und numerischer Simulation. Dargstellt werden der Zentralpunkt, zwei weitere Prozessparameterkombinationen mit Angabe der Gießlängen sowie einer schematischen Darstellung in der Gießspirale.
• Abbildungsqualität von Gussphänomenen in der Biegestab- und Gießspiralkokille
• Abbildung 5.14: Auswertung der Rissentstehung nach Gießtemperatur (links) und Kokillen-temperatur (rechts); Unterteilt werden die Risse in vier Kategorien.
• Abbildung 5.15: Auswertung der Rissentstehung über die Temperaturdifferenz zwischen Kokillentemperatur und Gießtemperatur; Unterteilt werden die entstehenden Risse in vier Kategorien.
• Abbildung 5.16: Darstellung der zwei Extrempunkte der Salzkerngießversuche zur Untersuchung der Warmrissfähigkeit; Worst Case: =720°C und =100°C mit dem höchsten ∆ zwischen Kokille und Schmelze; Best Case: =680°C und =300°C mit dem geringsten ∆ zwischen Kokille und Schmelze
• Abbildung 5.17: Darstellung der ersten Hauptspannung im Verlauf der Abkühlung in der Salzkernwarmrissprobe mit Schwindungsbehinderung für die Variante 1: =720°C/ =100°C und Variante 2: =680°C/ =300°C
• Abbildung 5.18: Verlauf der ersten Hauptspannung in der Randschale der Probenmitte und im Speiserübergangsbereich zur Stabkontur für die Variante 1: =720°C/ =100°C und Variante 2: =680°C/ =300°C
• Abbildung 5.19: Darstellung der ersten Hauptspannung in der Randschale der Probenmitte und im Speiserübergangsbereich zur Stabkontur für die Variante 1: =720°C/ =100°C und Variante 2: =680°C/ =300°C über der Temperatur; Zudem ist die maximal ertragbare Spannung, basierend auf den durchgeführten Zugversuchen im Diagramm, eingezeichnet.
• Abbildung 5.20: Schematische Darstellung der Funktionsweise des angepassten Solvers in Flow3D zur Darstellung der beiden Skalare „Hot Crack“ und „Hot Crack Duration“
• Abbildung 5.21: Darstellung des Hot Crack Criterions und der Hot Crack Duration für den Fall =680°C/ =300°C und =720°C/ =100°C; Abgebildet sind die Ergebnisse bei 15 s, 30 s, 45 s und 60 s Abkühlzeit.
• Abbildung 5.22: Darstellung der charakteristischen Schusskurven inkl. des dazugehörigen Bruchverhaltens der Salzkerne nach dem Druckgussumgussprozess
• Abbildung 5.23: Abbildung der von-Mises-Spannung im Salzkern und Schmelze-geschwindigkeit kurz nach dem Auftreffen der Aluminiumschmelze für die Kolbengeschwindigkeit a) 0,7 s , b) 1,0 s und c) 4,0 s
• Abbildung 5.24: Darstellung der ersten und zweiten Hauptspannung an der Zug- und Druckseite über die Prozesszeit inkl. Markierung der experimentell ermittelten Zug- und Biegefestigkeit für den Belastungfall mit der höchsten Kolbengeschwindigkeit von 4,0 s
• Abbildung 5.25: Abbildung des Kolbendrucks, der ersten drei Hauptspannungen in der Randschale des Salzkerns während des Umgussprozesses am Ende der zweiten Phase mit Übergang zur dritten Phase
• Abbildung 5.26: a) Temperaturverteilung in der Kavität und im Salzkern während der dritten Phase des Druckgussprozesses, b) Druckverteilung in der Kavität und Spannung im Salzkern während der Nachdruckphase
• Abbildung 5.27: Exemplarische Darstellung des Füllvorgangs beim Umguss des Stahleinlegers mit 1,5 mm Wandstärke mit von-Mises-Spannung im Rohr und der Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze in der Kavität sowie der Nachdruckphase mit 480 bar und 800 bar Nachdruck
• Abbildung 5.28: Übersicht der verwendeten Stahlrohre (inkl. Wandstärke) und der Ergebnisse der Umgussversuche bei der Kolbengeschwindigkeit 2,8 ms-1 mit und ohne dem Nachdruck; Gegenüberstellung der von-Mises-Spannungen für das 1,5 mm und 2 mm Stahlrohr bei einem Nachdruck von 500 bar sowie für das 2 mm und 2,5 mm Stahlrohr bei einem Nachdruck von 780 bar
• Abbildung 5.29: Gegenüberstellung der ermittelten Maximalspannungen für die unterschiedlichen Stahleinleger, umgossen im Aluminiumdruckguss und geprüft im Ausdruckversuch
• Abbildung 5.30: Gegenüberstellung der gemittelten Energieaufnahme für die unterschiedlichen Stahleinleger, umgossen im Aluminiumdruckguss und geprüft im Ausdruckversuch
• Abbildung 5.31: Betrachtung der a) Maximalspannung und b) Energie der unbeschichteten, profilierten Einleger im Ausdruckversuch, aufgetragen über den taktil gemessenen Rz-Wert
• Abbildung 5.32: REM-Aufnahmen des feuerverzinkten Stahleinlegers, eingelegt bei Raum-temperatur und 680 °C Schmelzetemperatur; Abbgebildet ist der Anguss (Bereich1), die erste Abnahme der stoffschlüssigen Anbindung (Bereich2), das Ende der stoffschlüssigen Anbindung (Bereich3) sowie der Überlauf, der keinerlei stoffschlüssige Anbindung aufweist (Bereich4).
• Abbildung 5.33: Darstellung des Einflusses von Einlegertemperatur und Schmelzetemperatur sowie der T6-Wärmebehandlung auf die Maximalspannung und Ausdrückenergie am Beispiel des feuerverzinkten Einlegers; Die Erhöhung der Schmelzetemperatur ist von 680°C auf 700°C gewählt, die vorgewärmten Einleger sind bei 250 °C gewählt.
• Abbildung 5.34: Darstellung der a) Scherzugfestigkeit und b) Haftzugfestigkeit für ausgewählte Stahl-Aluminiumverbindungen mit stoffschlüssigen Anteilen
• Abbildung 5.35: a) Darstellung eines feuerverzinkten Stahlrings nach dem Haftzugversuch mit eingezeichneter geschädigter intermetallischer Phase, b) Darstellung des numerischen Modells zur Abbildung des Haftzugversuchs inkl. Rand-bedingungen und getrenntem Zustand
• Abbildung 5.36: Darstellung der Auszugberechnung in 20-facher Überhöhung in radialer Richtung mit Darstellung der von-Mises-Spannung
• Abbildung 5.37: a) Gegenüberstellung der Kraft-Weg-Verläufe der Auszugprüfung aus dem Experiment, der rein impliziten Simulation mit Haftreibkoeffizient und der Implizit-Explizit-Import-Simulation mit Berücksichtigung des Wechsels von Haft- auf Gleitreibung, b) Innenradius der rotationssymmetrischen Berechnung und taktilen Vermessung an drei ausgewählten Winkeln in Abhängigkeit der axialen Richtung
• Abbildung 5.38: a) Darstellung der Kontaktspannung in radialer Richtung am Distanzring mit Angabe der Maximalspannung der „direct“ und „penalty“ Kontakt-formulierung aus ABAQUS mit und ohne Kriechmodell, b) Übersicht der Spannungsverteilung in radialer Richtung über das gesamte Bauteil, c) Innenradius nach dem Auszug für die beiden Kontaktformulierungen mit und ohne Kriechmodell
• Abbildung 5.39: a) Spannungen in radialer Richtung nach dem Abkühlvorgang des Ausdruckmodells, b) Spannungszustand im ersten Inkrement der expliziten Import-Ausdruckberechnung, c) Spannungszustand am Ende des Kontaktfindungsschrittes
• Abbildung 5.40: Vergleich zwischen Experiment und numerischer Simulation im Ausdruckversuch, a) Kraft-Weg-Verlauf des 2D Ausdruckverlaufs, b) Kraft-Weg-Verlauf des 3D-Ausdruckversuchs
• Abbildung 5.41: Entstehung der radialen Spannungen 11, dargestellt in einem zylindrischen Koordinatensystem, während des Abkühlvorgangs im 3D-Verbundgussmodell
• Abbildung 5.42: Darstellung der Spannungen 11 in radialer Richtung im zylindrischen Koordinatensystem und der Kontaktspannung im Stahl-Aluminiuminterface mittig, in Umfangsrichtung zu Beginn und am Ende des Trennvorgangs
• Abbildung 5.43: Vergleich der experimentellen und numerischen Kraft-Weg-Kurve im a) Haftzugversuch und b) Scherzugversuch einer feuerverzinkten und mit AlSI10MgMn umgossenen Stahlprobe
• Abbildung 5.44: Gegenüberstellung der numerischen Kraft-Weg-Kurven mit und ohne thermischer Importberechnung für a) den Haftzugversuch und b) den Scherzugversuch
• Abbildung 5.45: Darstellung der Größe CPRESS und CSHEAR für die Simulation mit Abkühlvorgang (oben) und ohne (unten) für den Fall a) nach dem Trennvorgang, am Ende des Kontaktfindungsschrittes und für den Fall b) kurz vor dem Versagen der kohäsiven Schicht
• Abbildung 5.46: a) Darstellung des experimentell ermittelten Rz-Werts und des numerischen statischen Reibkoeffizienten über die experimentell und numerisch ermittelte maximale Ausdruckspannung, b) Gegenüberstellung des experimentellen und numerischen Kraft-Weg-Verlaufs aus dem Ausdruckversuch einer charakteristischen feuerverzinkten Verbundgussprobe
• Abbildung 5.47: Schematische Darstellung der wirkenden Parameter im FEM-Modell einer Stahl-Aluminium-Verbundgussprobe vor und nach der Schädigung der kohäsiven Schicht
• Abbildung 5.48: Vergleich zwischen numerischer Berechnung und Experiment unter Annahme erhöhter Werte für die kohäsive Schicht
• Abbildung 5.49: Schematische Darstellung der Funktionsweise der verwendeten Subroutine zur Abbildung kombinierter stoff- und kraftschlüssiger Stahl-Aluminium-Verbunde mit der ABAQUS Kontaktdefinition
• Abbildung 5.50: Aufbau der Kontaktspannung, dargestellt durch die Größe CPRESS in dem Stahl-Aluminium-Kontakt mit und ohne der Subroutine VUINTER; Der Bereich der Subroutine ist mit einer roten gestrichelten Linie verdeutlicht.
• Abbildung 5.51: a) Vergleich der Kraft-Weg-Kurve von Experiment und der numerischen Berechnung unter Verwendung der Subroutine, b) Darstellung der Größe CSHEAR2 im Zeitschritt vor und nach der Schädigung der Schicht
• Abbildung 6.1: a) Verbundguss-A-Säulenkonzept mit Darstellung der zwei verwendeten Stahlrohre, des Stahlblechs und des Aluminiumumgussbereichs; b) Sandform und Sandkern; c) Gussrohling der Verbundgusssäule mit Angusssystem und Speisern
• Abbildung 6.2: a) Realaufnahmen des Prüfaufbaus zur Umsetzung des A-Säulenersatzlastfalls mit Dateilaufnahmen der Fixierungen 1-3, b) FEM-Modell für den Roof-Crush-Test der Verbundguss-A-Säule inkl. Stempel
• Abbildung 6.3: Vergleich des Kraft-Weg-Verlaufs für den Ersatzlastfall des Dacheindrück-tests zwischen Experiment und numerischer Simulation; Dokumentiert ist der Verlauf aus dem Experiment im Gusszustand und im T7-Zustand sowie der dazugehörige Verlauf aus der numerischen Berechnung mit Schädigungsmodell. Ergänzend sind die Ergebnisse der Seriengeometrie und einer Berechnung ohne Schädigungsmodell eingezeichnet.
• Abbildung 6.4: a) Rohteil des 8-fach-Abgusses und; b) Darstellung der Füllung und Schmelze-geschwindigkeit nach 0,105 sowie der Erstarrung der Salzkernstegkü

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• This material is a paper by "Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgartl": Based on "Hohl- und Verbundguss von Druckgussbauteilen – Numerische Auslegungsmethoden und experimentelle Verifikation".
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