Grundlagenuntersuchungen und Modellentwicklung der Erstarrung von Aluminiumgusslegierungen in ausgewählten Formwerkstoffen unter Mikrowelleneinfluss
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren zum gezielten und lokalen Aufheizen von Sandgießformen mittels Mikrowellenenergie entwickelt. Mit diesem Verfahren kann der thermische Haushalt einer Sandform bei Abguss, Erstarrung und Abkühlung von Aluminiumlegierungen gezielt beeinflusst werden. Der zugrundeliegende physikalische Effekt, der hierfür genutzt wird, basiert auf dem unterschiedlichen Aufheizverhalten von Materialien im Mikrowellenumfeld. Die Eigenschaft sich unter Mikrowelleneinfluss zu erwärmen wird durch die materialspezifische Kenngröße der Permittivität beschrieben. Zur lokalen Temperierung werden stark mikrowellenabsorbierende Elemente, sogenannte Suszeptoren, in einer Sandform positioniert, welche aus nahezu mikrowellentransparentem Quarzsand besteht. Für das Forschungsprojekt wurden zunächst verschiedene Suszeptormaterialien in einem Labormikrowellenofen getestet. Dabei zeigte verdichtetes und mit Wasserglasbinder gebundenes Siliziumkarbidpulver (SiC) geeignete Eigenschaften für den Prozess. Der Einsatz von SiC zeigte sich als bester Kompromiss aus Aufheizverhalten und Stabilität. Um die Temperaturverteilung innerhalb der vorgeheizten Sandform vorausberechnen und optimieren zu können, wurde der Mikrowellenprozess in einem Simulationsmodell nachgebildet. Zur Durchführung der Berechnungen kam die Simulationssoftware COMSOL Multiphysics zum Einsatz. Damit gelang es, die elektromagnetischen und thermodynamischen Vorgänge in einer gekoppelten Simulation zu beschreiben. Außerdem war es möglich, temperaturabhängige Materialparameter zu berücksichtigen. Dies war eine unabdingbare Voraussetzung, um ausreichend genaue Ergebnisse zu erhalten, da insbesondere die Permittivität des Suszeptormaterials sehr stark temperaturabhängig ist. Für die Simulation war es erforderlich, die dielektrischen Eigenschaften der beteiligten Materialien möglichst exakt zu kennen, da diese die elektromagnetische Feldverteilung und den Wärmeeintrag maßgeblich bestimmen. Daher wurden vorher Materialproben in einem Mikrowellenresonator elektrisch charakterisiert. Mit Hilfe eines eigens entwickelten iterativen Verfahrens konnte dann das inverse Problem der Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante gelöst werden. Durch eine Vermessung von vorgeheizten Proben und einer gleichzeitigen Temperaturerfassung mittels einer Wärmebildkamera war es schließlich möglich, die komplexe Dielektrizitätskonstante der eingesetzten Materialien temperaturabhängig zu bestimmen. Dies gewährleistete eine ausreichend genaue Modellierung des Aufheiz- und Abkühlvorgangs, was durch den Vergleich von Simulations- und Messergebnissen bestätigt werden konnte. Um den Prozess des Aufheizens und ein anschließendes Abgießen vollständig simulationsgestützt abzubilden, wurde die elektrisch-thermische Simulation mit einer Gießsimulation gekoppelt. Die Heizleistungen der Suszeptoren, welche aus der elektrisch-thermischen Simulation mit der Software COMSOL Multiphysics ermittelt werden konnten, wurden in der Gießsimulationssoftware Magma5 durch zeitabhängige Wärmeübergangskoeffizienten von Suszeptor auf Formstoff modelliert. Die lokale Temperierung mit Suszeptoren wurde an drei Versuchsgeometrien getestet. Dabei konnte das Ziel der Beeinflussung des Gefüges erreicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Multi-Physics Model for Microwave Heating in Metal Casting Applications Embedding a Mode Stirrer, German Microwave Conference, Ilmenau, Germany, March 2012
Oliver Wiedenmann, Robert Ramakrishnan, Emre Kılıç, Patrick Saal, Uwe Siart, Thomas F. Eibert
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Cavity Resonator Measurement of Dielectric Materials Accounting for Wall Losses and a Filling Hole, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 62, no. 2, pp. 401 - 407, February 2013
Emre Kiliç, Uwe Siart, Oliver Wiedenmann, Usman Faz, Robert Ramakrishnan, Patrick Saal, Thomas F. Eibert
