µ-Kern: Microstructure based calculation method for the technological properties of inorganically bound sand cores.

• Applicants: Privatdozent Dr. Heiko Andrä; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
• Term: from 2016 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 280815704

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Getrieben durch strengere Umweltschutzgesetze und dem Streben nach einer nachhaltigen und emissionsarmen Produktion, sind anorganische gebundene Kerne in den Interessensfokus vieler Leichtmetallgießereien gerückt. Diese Kerne bestehen meist aus natürlichem Quarzsand, welcher durch einen Silikat-Binder verklebt wird. Die technologischen Eigenschaften mechanische Festigkeit, Gas-durchlüssigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität sind entscheidend für die Qualität des erzeugten Gussteiles. Die Abhängigkeiten dieser technologischen Eigenschaften von denen der Ausgangsmaterialen (Sand und Binder) sind bisher ausschließlich mit heuristischen Methoden ermittelt worden. In diesem Projekt wurde eine mikrostrukturbasierte Berechnungsmethode entwickelt, die die technologischen Eigenschaften von Sandkernen aus den Eigenschaften der Grundmaterialien berechnet. Dazu wurden repräsentative Mikrostrukturmodelle für verschiedene Formstoffe erzeugt, die in der Lage sind, die technologischen Eigenschaften des Sandkerns erfolgreich aus den Eigenschaften des Sandes und des Binders zu berechnen. Zu Parametrierung der Mikrostrukturmodelle wurde Versuchsmethodik entwickelt, um geometrische und mechanischen Eigenschaften von Sanden und ausgehärteten Bindern zu bestimmen. Mit diesem Modell ist es möglich Parameterstudien durchzuführen, um die Zusammenhänge aus Sandgeometrie und Bindermenge auf das mechanische Verhalten zu simulieren. Des Weiteren kann die gezeigte Geometrie für fluiddynamische Simulationen der Gasdurchlässigkeit genutzt werden. Mit Hilfe des entwickelten Mikrostrukturmodells lassen sicher außerdem thermo-physikalische Daten des Formstoffs wie Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit errechnen.

Publications

• An FFT-based fast gradient method for elastic and inelastic unit cell homogenization problems, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Volume 315, 2017, ISSN 0045-7825
  Matti Schneider
  
• Detection of Core Fracture in Inorganically Bound Cast-in Sand Cores by Acoustic Microphony. In Congress of the German Academic Association for Production Technology (pp. 34-43). Springer, Cham, 2018
  Florian Ettemeyer, Florian Steinlehner, Philipp Lechner, Wolfram Volk, Daniel Günther
  
• Fracture Statistics for Inorganically-Bound Core Materials, Materials, Volume 11, 2018, ISSN 1996-1944
  Philipp Lechner, Jens Stahl, Florian Ettemeyer, Benjamin Himmel, Bianca Tananau-Blumenschein and Wolfram Volk
  
• Mikrostrukturbasierte Vorhersage von Materialeigenschaften anorganischer Formstoffe. 2. Formstoff-Forum, März 7-8, 2018, Aachen
  Philipp Lechner, Florian Ettemeyer, Wolfram Volk, Matti Schneider, Tobias Hofmann and Heiko Andrä
  
• Modelling the microstructure and computing effective elastic properties of sand core materials, International Journal of Solids and Structures, Volume 143, 2018, Pages 1-17, ISSN 0020-7683
  Matti Schneider, Tobias Hofmann, Heiko Andrä, Philipp Lechner, Florian Ettemeyer, Wolfram Volk and Holger Steeb