GJSlim - Digitaler Zwilling für ultraleichte, zuverlässige Gussstrukturen

Digitale Absicherung hochbeanspruchter Gussstrukturen 

Das Projektteam entwickelte ein übertragbares Leichtbaukonzept, mit dem sich dünnwandige GJS-Strukturen auch unter erhöhter zyklischer Beanspruchung sicher auslegen lassen: Wir zeigen, wie Bauteilgestalt, Gießprozess und lokale Eigenschaften zusammenhängen, und bündeln das explizite Wissen aus den Bereichen Gießereitechnik, Strukturleichtbau und Betriebsfestigkeit in einem digitalen Zwilling. Dieser verknüpft Fertigungsparameter, lokal unterschiedliche Mikrostrukturen, die Bauteilkonstruktion sowie die daraus resultierende Beanspruchbarkeit und Daten aus Herstellung, Simulation und Belastung, um eine bessere Abschätzung des Materialverhaltens und der Lebensdauer zu erreichen.

Zunächst klären wir, unter welchen Bedingungen sich sehr dünnwandige GJS-Strukturen zuverlässig gießen lassen. Im Mittelpunkt stehen Wandstärken von unter 5 Millimetern. Diese stellen sowohl gießtechnisch als auch bei der Auslegung unter zyklischer Belastung besondere Anforderungen. Es werden geeignete Formstoffe und Beschichtungen ausgewählt sowie Prozessfenster definiert. Dadurch wird eine stabile Oberfläche unterstützt und die Bildung unerwünschter Defekte, wie Karbide, vermieden. Auf dieser Grundlage entwickelten Forschenden des Projektpartner INTES die Methoden der Topologie- und Formoptimierung so weiter, dass sich ändernde Wandstärken, lokale Beanspruchbarkeit und Fertigungsrestriktionen berücksichtigt werden.

Wir nutzten simulierte Gefügezustände, glichen diese mit experimentell ermittelten Erkenntnissen ab und zeigten damit die Einflüsse der Mikrostruktur und der Erstarrungszeit auf die lokale zyklische Bauteilbeanspruchbarkeit auf. Erst mit einer optimierten Lebensdauerabschätzung, welche durch ein neu entwickelndes Bemessungskonzept durchgeführt werden kann, wird die Umsetzung von sicheren und zuverlässigen Ultraleichtbaustrukturen möglich.