Virtualiseren gietproces bespaart tijd en kosten Achter de schermen werken een Nederlands ingenieursbureau en een Belgisch onderzoeksinstituut aan het 'virtualiseren' van het gietproces. Het numeriek doorrekenen van verschillende fasen levert namelijk tijd- en kostenvoordelen op. Hoe staat het ermee en wat zijn de verwachtingen? Het gieten van metalen is een aantrekkelijk proces om al dan niet ingewikkelde stuksproducten te (re)produceren. De toepassingen van gegoten stukken zijn veelomvattend. Dagelijks komen er nieuwe producten bij.
Adders onder het gras Gieten mag dan een aantrekkelijke productiemethode zijn, er zitten wel een paar addertjes onder het gras. Zo begint het proces met het ontwerpen van een gietstuk. De voorbereiding van gietmallen vraagt de nodige tijd en dus kosten. En verder is ondanks langjarige ervaring het gietresultaat niet altijd voorspelbaar. Dat kan invloed hebben op de sterkte van het gietstuk. Het aanbrengen van correcties kan een lange weg zijn, die de competitieve slagvaardigheid niet bevordert. De gietpraktijk blijkt dus minder eenvoudig dan deze lijkt.
Slink, gas en lucht Drie gevolgen van het gietproces kunnen de sterkte van het product beïnvloeden: slink, gas en lucht. Slink is een inwendige porositeit die ontstaat in de fase van het gietproces waar stolling en navulling optreedt. Afhankelijk van de legering krimpt het materiaal ongeveer 5 tot 7% in volume. Hierdoor kunnen holtes ontstaan in het gietstuk. Daarom zorgt men voor een zo goed mogelijke 'navoeding' van materiaal uit een reservoir. Gas in de vorm van waterstof of stikstof kan ontstaan als men de smelt niet goed ontgast. Lucht ontstaat als het vullen van de gietvorm met te hoge snelheden plaatsvindt. Het ligt voor de hand dat de holtes, ongeacht de ontstaansreden, ernstige gevolgen kunnen hebben voor het uiteindelijk functioneren van het product.
Traditionele aanpak Bij de traditionele aanpak wordt een gietstuk ontworpen, hiervan een prototype gemaakt en na testen aangepast totdat het geschikt is voor de gietproductie. Om tot het beoogde resultaat te komen grijpt men terug op langjarige gietervaring, waarbij correcties worden aangebracht via trial and error. Dat kan nogal wat extra tijd en dus geld met zich meebrengen. Na elke correctie moet immers een nieuw prototype moet worden gemaakt, waarvoor al dan niet een nieuwe mal moet worden vervaardigd. Soms worden op doorsneden waarvan verwacht wordt dat ze kritisch zijn prototypes doorgezaagd. Wanneer er op deze zaagsneden geen slink wordt aangetroffen, wordt verondersteld dat het product slinkvrij is.
1
Een stap verder Wanneer het gehele prototype onderzocht wordt op de aanwezigheid van slink, zijn röntgenopnamen een veel gebruikte methode. Hierbij kan het gehele inwendige van het gietstuk worden bekeken. Nadeel blijft dat wanneer slink geconstateerd wordt, een correctie op de matrijzen moet worden doorgevoerd. En er moet weer een nieuw prototype gemaakt worden. Het is dus ook een 'controle achteraf'. De komst van de computer heeft mogelijk gemaakt dat achteraf sterkteanalyses aan het gegoten model kunnen worden uitgevoerd. Op een meegegoten proefstaaf wordt een trekproef uitgevoerd. De mechanische eigenschappen die men op basis van de legering, gietproces en eventuele warmtebehandeling verwacht mogen worden, worden hiermee gecontroleerd. Helaas blijken de verschillen in de geometrie van de proefstaaf en gietstuk soms verantwoordelijk te zijn voor verschillen van enkele tientallen procenten in materiaalsterktes.
Virtuele aanpak Bij de virtuele aanpak krijgt het in CAD ontworpen gietstuk een vervolg in de vorm van een numeriek prototype. Dit numeriek prototype, of model, wordt vervolgens op allerlei punten doorgerekend. De komst van steeds krachtiger computers en gespecialiseerde software maakte het mogelijk om processen van gieten, sterkte en vermoeiing steeds nauwkeuriger te berekenen. Zo kan het gietproces, in het bijzonder de wijze van aansnijding, de wijze van stolling en de legeringskeuze, worden geoptimaliseerd. Door gietsimulatie zijn slink en lucht aan te tonen, waarbij slink – de grootste boosdoener - exact vooraf kan worden berekend. Doordat vooraf berekenen en analyseren mogelijk is kan het gietproces worden voorspeld. Sterkteanalyses kunnen effectiever worden uitgevoerd doordat men zowel bij giet- als bij sterktesimulatie binnenin het product kan kijken. De residuele spanningen (ingevroren spanningen) na het gieten kunnen nu ook in rekening worden gebracht. De integratie van giet- en sterkte software bestaat nu uit het overdragen van deze residuele spanningen van het giet model naar het sterkte model over te dragen. De gietsimulatie is gebaseerd op een eindige volume methode, de sterkte simulatie op een eindige elementen methode. Bij de eindige volume methoden is de ruimte van het model opgedeeld in kleine volumes, ofwel cellen. Door deze cellen kan materiaal stromen, maar de cellen vervormen niet. Bij de eindige elementen methode wordt de geometrie van het model opgedeeld in kleine simpele volumes, de elementen. Het materiaal kan niet in of uit deze elementen stromen, maar de elementen zelf kunnen onder invloed van belastingen wel van vorm veranderen. Eén van de gevolgen van de verschillende gebruikte methoden is dat de meshes (celverdeling en elementverdeling) niet met elkaar overeenkomen. Er wordt nu gebruik gemaakt van een mapping techniek om de resultaten van de ene mesh naar de andere over te kunnen dragen. De volledige spanningstensor wordt overgedragen. Op deze manier wordt het spanningsbeeld dat ontstaat als product van de gietanalyse zo goed mogelijk overgedragen naar de sterkteanalyse. Dit spanningsbeeld is dan het startpunt voor de sterkteanalyse.
2
Een bijkomend voordeel van deze virtualisering is dat je ook kunt bekijken of de producten met behoud van de sterkte-eigenschappen en andere functionele eisen lichter of anders kunnen worden gefabriceerd. Hierdoor is er een besparing op materiaal- en op productiekosten mogelijk.
Huidige stand van zaken De opdrachten van Alcoa Infrastructures maken het voor MGts en WTCM mogelijk om verschillende geïntegreerde gietsimulaties en sterkteberekeningen te doen aan gegoten aluminium producten. Samen met de opdrachtgever en de gieterij worden de ideeën uitgewerkt naar gegoten producten die in één keer goed zijn. Voor de integratie van twee geïsoleerde gebieden werd speciale software ontwikkeld om de koppeling tot stand te brengen tussen de softwarepakketten View Cast van WTCM en MSC.Marc van MGts. Hierdoor kunnen bij het onderzoeken van gietstukken nietlineaire verschijnselen zoals contact tussen de diverse onderdelen meegenomen worden evenals de plasticiteit van het materiaal. Plastische vervorming kan bijvoorbeeld optreden door het aandraaien van bouten om twee in elkaar geschoven gegoten koppelstukken met elkaar te verbinden.
Verwachtingen Gieten is een aantrekkelijk maar complex productieproces. Door het inzetten van steeds krachtiger computers en hooggekwalificeerde softwarepakketten wordt het mogelijk om de 'controles achteraf' te vervangen door het 'vooraf doorrekenen' van het ontwerp en het digitale prototype. Dit totale proces van prototypeontwikkeling wordt hierdoor een numeriek 'laboratoriumgebeuren. Een volgende fase zal de koppeling van de twee eerder genoemde softwarepakketten View Cast en MSC.Marc verder worden uitgebreid naar andere simulatiepakketten. Daarmee kunnen dan ook bijvoorbeeld impact simulaties of vermoeiingssimulaties worden uitgevoerd. In die situatie kun je weer een stap verder komen. Je kunt dan niet alleen de gecombineerde giet- en sterktesimulatie doen, maar ook de levensduur van een gegoten product bepalen. In het bijzonder voor vermoeiing kunnen kleine verschillen in spanningen grote verschillen in vermoeiingslevensduur opleveren. De door middel van de integratie gerealiseerde nauwkeuriger spanningsbepaling zal een vermoeiingsanalyse op een gietstuk veel zinvoller maken. De doelgroep van de 'gietvirtualisering' is het mkb, hoewel de grote bedrijven hebben als eerste de voordelen ervan ingezien. Want je kunt geld verdienen door het fysieke prototype met de bijbehorende kostbare mallenproductie achterwege te laten en dit met behulp van computersimulatie door te rekenen. Het is niet de bedoeling om het fysieke testen geheel te elimineren. Aan het eind van het ontwerpproces blijft uiteraard een röntgenonderzoek en mechanische test mogelijk. Maar met deze nieuwe technieken is de kans dat het nieuwe gietstuk in één keer goed is vele malen groter geworden dan voorheen.
3
KADERSTUKJE:
________________________________________________________________________________
Het ingenieursbureau MGts in Waddinxveen is innovatief met het gietproces bezig. Samen met het WTCM in België verricht het gietsimulaties en sterkteanalyses voor derden en verbetert en ontwerpt de hiervoor benodigde computersoftware. De inspanningen zijn mede gericht op het mkb, hoewel tot op heden vooral multinationale ondernemingen gebruik maken van deze deskundigheid. MGts heeft hiertoe haar kennis gebundeld met die van het WTCM in Zwijnaarde (B), het kennisinstituut op gieterijgebied in de Benelux. Voor een onderzoeksproject hebben zij nu voor het eerst het gietsimulatiepakket View Cast en het sterkteberekeningspakket MSC.Marc gekoppeld. MGts ontwikkelde samen met de softwareontwikkelaars van het WTCM hiervoor de koppelingssoftware. In dit artikel leggen dr.ir. Mart Heerschap van MGts en ir. Roy Kastelein van het WTCM uit wat de voortgang is en welke de verwachtingen zijn. De samenwerking tussen MGts en het WTCM is tot stand gekomen dankzij de inspanningen van ir. Paul C.J. Asselbergs van Syntens en Marco Wielink van de Stichting Aluminium Centrum.
4
Het fysieke gietproces
Het uiteindelijk product, met dank aan Alcoa Infrastructures
5
De gietsimumlatie
Eén van de resultaten van de sterkteberekening
6
