Prozessmodellierung des Aluminiumgießens

Das VIRCAST-Projekt beinhaltete die Entwicklung mathematischer und numerischer Modelliertools zur Verbesserung der Qualität des Aluminiumgießens von maßgeschneiderten Produkten. Ein Modell für die Vorhersage der rohgegossenen Mikrostruktur erlaubt die Abstimmung der Gussparameter für eine optimierte Mikrostruktur durch eine nutzerfreundliche Schnittstelle.

Die ständig zunehmende Verwendung von Aluminium in zahlreichen industriellen Anwendungen bringt neue markttechnische und ökologische Bedürfnisse mit sich, die dramatische Auswirkungen auf die Aluminiumproduktion haben. Bis zum heutigen Zeitpunkt basiert die Prozessentwicklung eines neuen Produkts oder einer neuen Legierung in erster Linie auf Laborexperimenten und Optimierungsmethoden nach dem Prinzip Versuch und Irrtum.

Im Rahmen des VIRCAST-Projekts ging man einen Schritt weiter und konzentrierte sich auf einen anderen Ansatz durch die Prozesskettenmodellierung. Hierin eingeschlossen sind geeignete mathematische und numerische Verfahren zur Modellierung spezifischer Kristallisierungsvorgänge und deren Zusammenhang mit dem Gießprozess und der Homogenisierung. Bei letzteren handelt es sich um wichtige Phänomene, die einen entscheidenden Einfluss auf die Produktivität und Produktqualität in der Aluminiumindustrie haben können.

In diesem Zusammenhang wurde ein mathematisches Modell für die Vorhersage der rohgegossenen Mikrostruktur und deren Optimierung durch die angemessene Anpassung verschiedener Gussparameter erstellt und überprüft. Dieses Modell wurde in ein leistungsstarkes Software-Tool mit dem Namen „Virtual Cast House“ integriert und kann mit Hilfe einer geeigneten nutzerfreundlichen und flexiblen Schnittstelle genutzt werden.

Die spezielle Schnittstelle ermöglicht die Vorverarbeitung des Pseudo-Front-Tracking-Modells für die Beschreibung von rohgegossenen Mikrostrukturen. Zu den wichtigsten sichtbaren Modelleingaben gehören die Temperatur bzw. Wärmeentzugsgeschwindigkeit als eine Funktion der Zeit, das Phasendiagramm sowie der Diffusionskoeffizient in den verschiedenen Phasen. Zusätzlich können die volumenspezifische und latente Wärme, der Gibbs-Thomson-Koeffizient, die Reihenfolge der Kristallsymmetrie, die relative Steifigkeit der Oberflächenspannung sowie die Gesamtsimulationszeit abgelesen werden.

Mit der grafischen Schnittstelle kann der Nutzer Abbildungen der Konzentration und des Anteils von Festphasenteilchen zu unterschiedlichen Zeiten, die Temperaturentwicklung sowie die Entwicklung des Anteils der Festphasenteilchen im Berechnungsbereich visualisieren. Der Kristallisierungspfad wird ebenso angezeigt, und den Plänen zufolge sollen auch Abbildungen des Anteils von Sekundärphasenteilchen bereitgestellt werden.

Das stabile „Virtual Cast House“ kann Gießhallen unbegrenzte Möglichkeiten zur Prozessoptimierung in überaus kosteneffizienter Weise bieten. Es kann ihnen überdies einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, der sich aus der Produktion von maßgeschneiderten Produkten erstklassiger Qualität ergibt, die nur geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben.