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Intelligente Temperierung von Druckgießwerkzeugen
"Die Temperierung von Druckgusswerkzeugen kommt zum Schluss" - mit diesem Ansatz werden immer noch Temperierkanäle in Druckgussformen ausgelegt. Eine effiziente Auslegung und prozessspezifische Optimierung von komplexen 3D-Temperiersystemen in Druckgießwerkzeugen sieht jedoch anders aus.
Eine intelligente Werkzeugtemperierung unterstützt die Qualität und Maßhaltigkeit des Gussteils sowie die Wirtschaftlichkeit des Gießprozesses. Intelligente Temperierung bedeutet, den Wärmehaushalt von Werkzeugen zu planen und alle Maßnahmen spezifisch und zielgerichtet zu gestalten und zu konstruieren. Um ein optimales Ergebnis für alle relevanten Größen wie Gussqualität, Prozessstabilität, Zykluszeit oder Werkzeugstandzeit zu erreichen, muss die Prozesswärme gezielt und zeitgerecht aus bestimmten Bereichen des Werkzeugs abgeführt werden.
In den thermisch relevanten Werkzeugsegmenten muss die Temperaturführung individuell, effizient steuerbar und ggf. zeitlich variabel sein. Die entsprechenden Werkzeugsegmente müssen daher thermisch schnell sein. Möglich wird dies durch konturnahe und konturangepasste Temperierkanäle, unterschiedliche wärmeleitende Materialien im Druckgusswerkzeug und leistungsfähige Heiz-/Kühlgeräte mit der Möglichkeit der vario-thermischen Regelung.
Wie kann dies bei der Werkzeugauslegung geschehen? Seit 30 Jahren stehen die Möglichkeiten der computergestützten, optimierten Auslegung von Gießprozessen und moderne, teilweise generative Fertigungstechnologien für konturierte und konturangepasste Formsegmente zur Verfügung. Die Potenziale der virtuellen Gießprozessbewertung und -optimierung sind erkannt und quantifizierbar - und können genutzt werden. Mit dem im Maschinenbau seit 140 Jahren bekannten "Frontloading"-Ansatz kann das virtuell generierte Wissen über den individuellen Gießprozess bereits bei der Konstruktion und Auslegung des Gießwerkzeugs genutzt werden.
Die Porosität kann durch entsprechende Temperierung des Werkzeugs an den kritischen Stellen eliminiert werden. Für die Dimensionierung der Temperierung gibt es hunderte von Möglichkeiten: unterschiedliche Ein- und Ausschaltzeiten, unterschiedliche Vorlauftemperaturen und Durchflussmengen des Temperiermediums führten z.B. in diesem Beispiel zu über 700 denkbaren Varianten, von denen ein statistisch relevanter Teil in einer virtuellen DOE untersucht wurde. Diese virtuelle DOE besteht aus Gießprozess-Simulationen von 50 Varianten, die den Bereich aller sinnvollen Parameter der Temperierung repräsentieren.
Die Ergebnisse dieser Berechnungen erlauben nun die Bewertung der verschiedenen Varianten hinsichtlich verschiedener Kriterien wie Zykluszeit, Porositätsvolumen oder Standzeit der Werkzeuge in kritischen Bereichen.
In diesem Streudiagramm stellt jeder Punkt ein virtuelles Experiment dar. Die Erstarrungszeit sinkt mit zunehmender Durchflussmenge des Temperiermediums: die Zykluszeit wird verkürzt. Gleichzeitig nimmt die Standardabweichung zu: Der Prozess wird weniger stabil. / Quelle: MAGMAIm Zusammenhang mit dem Thema Gießerei 4.0, also der Digitalisierung von Druckgießprozessen, stellt sich die Frage nach der Relevanz von steuerbaren Prozessparametern in Bezug auf messbare Ziele und Vorgaben des Gießprozesses. Anhand der zahlreichen virtuellen Versuche können nun die relevanten Parameter herausgefiltert werden, so dass die Prozessführung wesentlich effizienter gestaltet werden kann.
In der alltäglichen Praxis, einen möglichst problemlosen Gießereiprozess zu entwickeln, muss der Gießer in der Regel mit der Auslegung des Werkzeugs mit den entsprechenden Temperiermessungen leben. In der Regel gibt es eine Reihe von Musterserien, in denen einige Prozessparameter überprüft werden. Typischerweise gibt es selten mehr als 10 dokumentierte Parametervariationen. Letztlich sind undokumentierte Parametervarianten im Hinblick auf nachhaltige, effiziente Gießprozesse und deren Planung irrelevant. Werden alle in einer Musterserie anfallenden Kosten kaufmännisch korrekt zugeordnet, sind schnell fünfstellige EURO-Summen erreicht.
Im Vergleich dazu sind die Kosten für eine virtuelle DOE wie die hier beschriebene vernachlässigbar. Mit maximal zwei Manntagen für ein Projekt wie oben beschrieben können so viele verschiedene Parametervarianten getestet werden, wie es an der Druckgussmaschine in der Gießerei nie möglich wäre. Gleichzeitig werden die relevanten Gießparameter gefunden, die Digitalisierung des Gießprozesses auf eine verlässliche Basis gestellt und der gesamte Ablauf perfekt dokumentiert.
Die Kosten für die virtuelle Bewertung und die virtuelle Optimierung von Druckgussprozessen liegen um ein bis zwei Größenordnungen unter denen der üblichen Musterserien. Gleichzeitig ist der Wert der Erkenntnisse aus den virtuellen Versuchen wesentlich höher.
Es wird berichtet, dass der Return on Investment bei Investitionen in Software, Schulung der Mitarbeiter und Anpassung der Entscheidungsstrukturen bereits mit zwei bis drei Projekten erreicht werden kann.
