Für den Zylinderkopf ist das Schwerkraftgießen ein etabliertes Gießverfahren. Jedoch gehen die Gießereien in der Ausführung des Schwerkraftgusses unterschiedlich vor. Durch die mannigfaltigen Anschnittsysteme und die sich dadurch ergebenden Vor- bzw. Nachteile bei der Herstellung entstehen Unterschiede bei Qualität und Kosten. Ziel dieser Arbeit ist es, Standards und Vereinheitlichungen während der Produktentstehung eines Zylinderkopfes zu etablieren, um eine gleichbleibende Qualität der Zylinderköpfe in den Gießereien zu gewährleisten. Dazu sind vielfältige Ansatzpunkte zu verfolgen. Eine Möglichkeit ist die geometrische Beurteilung des Zylinderkopfs, wie z.B. Wandstärken, Speisungswege und die Außengeometrien. Die nach Lastenheftvorgaben zu erfüllenden Eigenschaften spielen gleichermaßen eine Rolle und haben Einfluss auf die Wahl des Gießverfahrens. Mit Hilfe von speziellen Entscheidungsmethoden ist eine Vorauswahl für ein Gießverfahren möglich. Des Weiteren werden mittels experimentellen Untersuchungen die Entscheidungen gestützt. Die Gießsimulation ist als zusätzliches Auslegungswerkzeug einzusetzen. Hierbei sind Gussfehler im Bauteil zu lokalisieren und zu vermeiden. Unzureichende Speisungswege oder zu geringe Wandstärken durch komplizierte Kerngeometrien sind zu ermitteln. Des Weiteren sind Vorhersagen zu Dendritenarmabständen und Materialausnutzung (Speiserdimensionierung) möglich, die direkt mit der Wahl des Gießverfahrens zusammenhängen. Die Verzahnung von Geometrie- und Metallurgiefaktoren führt idealerweise zur Definition von Standardisierungsaspekten zur Auswahl der Gießtechnologie bei der Zylinderkopfentwicklung. Durch eine parallele Produkt- und Prozessentwicklung ist eine Verkürzung des Produktentstehungsprozesses erreichbar.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

Der Beitrag befasst sich mit einem Überblick über das Forschungsprojekt SiPro, im Rahmen der Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimapolitik. Ziel des Projektes ist es, einen Durchbruch in der horizontalen Datenintegration entlang der Prozesskette Gießen, Schmieden, Wärmebehandlung und den nachfolgenden Prozessen, wie Walzen, Gesenkschmieden und Ziehen zu erreichen. Ausgehend davon ist eine Optimierung der Prozesse möglich, was letztendlich zur Einsparung des Energieeinsatzes und damit zu einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit verbunden mit einer Reduzierung des CO2-Ausstoßes führt.