Reoxidation is a phenomenon that occurs in steel products during the initial stage of the formation of liquid steel, mainly during casting. This leads to the formation of inclusions which is a common problem that affects the properties, such as strength and ductility of the steel, and thus decreases its quality. To investigate these inclusions an electrolytic extraction and a scanning electron microscope(SEM) were performed on four carbon steel samples taken before and throughout continuous casting. To get a better understanding of the inclusions, the chemical composition, morphology, and sizes were analyzed, these were measured with the software ImageJ. As a result, five types of inclusions were identified, these include reoxidation, deoxidation, desulphurization, and complex compositions. Each type was represented by specific compounds and elements, such as FeO for reoxidation inclusions and Al2O3 for deoxidation inclusions. Additionally, inclusion morphology and size were significant classification factors, with film inclusions presenting larger sizes compared to other types, while spherical inclusions were observed perfectly, spherical ones were often associated with pure FeO content. Despite successful electrolytic extraction and SEM analysis, the number of inclusions obtained was lower than expected due to the presence of an additional layer of carbides. Future research may benefit from additional heating treatments to facilitate deeper analysis of inclusions. / Reoxidation är ett fenomen som uppstår i stålprodukter under gjutning. Detta leder till bildning av inneslutningar vilket är ett vanligt problem som påverkar egenskaperna, såsom hållfasthet och formbarhet hos stålet, och därmed minskar dess kvalitet. För att undersöka dessa inneslutningar utfördes en elektrolytisk extraktion och en SEM på fyra kolstålprover tagna före och under stränggjutning. För att få en bättre förståelse av inneslutningarna analyserades den kemiska sammansättningen, morfologin och storlekarna, dessa mättes med programvaran ImageJ. Som ett resultat identifierades fem typer av inneslutningar, dessa inkluderar reoxidation, deoxidation, avsvavling och komplexa kompositioner. Varje typ representerades av specifika föreningar och element, såsom FeO för reoxidationsinneslutningar och Al2O3 för deoxidationsinneslutningar. Dessutom var inklusionsmorfologi och storlek signifikanta klassificeringsfaktorer, med filminneslutningar som presenterade större storlekar jämfört medandra typer, medan sfäriska inneslutningar, observerades perfekt sfäriska sådana var ofta associerade med rent FeO-innehåll. Trots framgångsrik elektrolytisk extraktion och SEM-analys var antalet erhållna inneslutningar lägre än förväntat på grund av närvaron av ytterligare ett lager karbider. Framtida forskning kan dra nytta av ytterligare värmebehandlingar för att underlätta djupare analys av inneslutningar.

Continuous casting is by far the most widely used casting method for steel production all over the world. The Swedish steel industry has specialized in niche products with high quality. To obtain high-quality steel, flow control is crucial when operating the caster. Computational fluid dynamics is used in the research and development of steel production to gain knowledge and optimize flow control, with meshing being a crucial step. One challenge with meshing is finding the balance between computational cost (time and storage) and accuracy. This study investigated whether polyhedral mesh elements would be suffcient for modeling turbulent flow in continuous casting. Firstly, Ansys Fluent's polyhedral converter was used on an existing mesh containing tetrahedral and hexahedral elements. The mesh quality in terms of skewness, orthogonality, and aspect ratio was studied. The results showed that the polyhedral converter lowered the cell count and slightly improved the quality compared to the original mesh. However, more research is needed with other meshes and actual simulations to determine if it is suffcient for modeling turbulent flow in continuous casting. Following that, two new meshes were generated: one polyhedral and one poly-hexcore mesh, both using Ansys Fluent Meshing, and their mesh quality was analyzed as in the first case. These meshes were then simulated with the Large Eddy Simulation model for steel, slag, and air for 60 seconds. They were compared and evaluated using production data in the form of steel layer fluctuations and nail board measurements. The results from the polyhedral and poly-hexcore meshes showed that both meshes had good, equal quality and cell count. Even so, due to the construction of the poly-hexcore, switching between polyhedral and hexahedral elements, and the occurrence of hanging nodes, the simulation showed signs of discretization errors. This might have also contributed to the lower flow velocities at the steel layer compared to the nail boards for the poly-hexcore mesh. The polyhedral mesh showed more stable simulation results with closer velocity trends compared to the nailboard measurements. The steel layer fluctuations for both meshes were somewhat similar to the production data, but further FFT analysis concluded that fluid flow simulations alone are not enough for an FFT comparison to production data since many factors are missing from the simulations, such as mould oscillations and regulations from the stopper. The computational cost varied between time and storage, with the polyhedral mesh requiring 13 % less simulation time but 32.7 % more storage. In summary, it can be concluded that polyhedral mesh elements can be successfully implemented for modeling turbulent flow in continuous castingwith a reasonable computational cost. / Stränggjutning är den främsta metoden använt för stålproduktion över hela världen. Den svenska stålindustrin har specialiserat sig på nischade produkter med hög kvalitet. För att uppnå högkvalitativt stål är flödeskontroll avgörande vid drift av gjutmaskinen. Numeriska strömningsberäkningar används i forskningen och utvecklingen av stålproduktion för att skaffa kunskap och optimera flödeskontrollen, där meshing är ett avgörande steg. En utmaning med meshing är att hitta balansen mellan beräkningskostnad (tid och lagring) och noggrannhet. Denna studie undersökte om polyhedrala mesh-element skulle vara tillräckliga för att modellera turbulent flöde i stränggjutning. Först användes Ansys Fluents polyhedrala konverterare på en befintlig mesh, innehållande tetrahedrala och hexahedrala element. Meshkvalitén i termer av skevhet, ortogonalitet och aspektförhållande studerades. Resultaten visade att den polyhedrala konverteraren sänkte cellantalet och förbättrade kvaliteten något jämfört med den ursprungliga meshen. Dock behövs mer forskning med andra mesher, och faktiska simuleringar, för att avgöra om den är tillräcklig för att modellera turbulent flöde i stränggjutning. Därefter genererades två nya mesher: ett polyhedralt och en poly-hexcore, båda med hjälp av Ansys Fluent Meshing, och precis som i det första fallet, studerades deras meshkvalitet. Dessa två meshes simulerades sedan med Large Eddy Simulation-modellen för stål, slagg och luft i 60 sekunder. De jämfördes och utvärderades med hjälp av produktionsdata i form av stålnivå, fluktuationer och 'nail board'-mätningar. Resultaten från det polyhedrala och poly-hexcore meshen visade att båda mesherna hade god och likvärdiga kvalitéer samt cellantal. Trots detta, på grund av uppbyggnaden av poly-hexcore meshen, alltså växlingen mellan polyhedrala och hexahedrala element och förekomsten av hängande noder, visade simuleringen tecken på diskretiseringsfel. Detta kan också ha bidragit till de lägre flödeshastigheterna vid stålnivån jämfört med 'nail board'-mätningarna för poly-hexcore meshen. Den polyhedrala meshen visade mer stabila simuleringsresultat med hastighetstrender närmare 'nail board'-mätningarna. Amplituden för stålnivåfluktuationerna för båda näten var något lika produktionsdatan, men en vidare FFT-analys visade att endast flödesimuleringar inte är tillräckliga för en FFT-jämförelse med produktionsdata eftersom många faktorer saknas i simuleringarna, såsom svängningar av gjutformen och reglering av inloppashastigheten. Beräkningskostnaden varierade mellan tid och lagring, där den polyhedrala meshen krävde 13 % mindre simuleringstid men 32,7 % mer lagring. Sammanfattningsvis kan det konstateras att polyhedrala mesh-element framgångsrikt kan implementeras för att modellera turbulent flöde i stränggjutning med en rimlig beräkningskostnad.

Am Anfang des Entwicklungsprozesses eines Gussbauteils für die Automobilbranche steht klassischerweise die konstruktive Ausarbeitung und die Auslegung auf Zielgrößen, wie Festigkeit, Steifigkeit bzw. die Erfüllung der Crashlasten. Im nächsten Entwicklungsschritt wird, oftmals in Zusammenarbeit mit externen Lieferanten, das Werkzeugkonzept entwickelt und die Herstellbarkeit mit Hilfe von Gießsimulationen abgesichert. Bei der Fertigung verursachen streuende Prozessgrößen, wie etwa Geschwindigkeits- oder Temperaturniveaus, Schwankungen in der Leistungsfähigkeit des Endprodukts (z. B. lokale Bruchdehnung oder Zugfestigkeit). Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessstabilität und zur Reduktion des Verschleißes konzentrieren sich oftmals auf die erfahrungsbasierte Verbesserung des Fertigungsprozesses und Anpassungen des Anguss- und Überlaufsystems. Größere Änderungen der Bauteilgeometrie sind häufig aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, optimierte modularisierte Grundgeometrien, wie Rippen oder Umlenkungen, mit Hilfe von numerischen Formoptimierungen zu entwickeln, um diese schon von Anfang an in der Bauteilentwicklung zu berücksichtigen. Als Zielfunktionen dienen strömungs- und strukturmechanische Kenngrößen, um einerseits verschleißfördernde Mechanismen und füllungsbedingte Defekte zu reduzieren und andererseits die Beanspruchbarkeit zu erhöhen. Bei den Untersuchungen wird zusätzlich die Robustheit des Ergebnisses analysiert, um Verbesserungspotenziale auch bei streuenden Randbedingungen realisieren zu können. / The virtual development process of an automotive casting part usually begins with classical design tasks and analyses of material strength, stiffness and crash load cases. In the next step, often in cooperation with external suppliers, the tooling concept is developed and casting simulations are used to ensure manufacturability. During manufacturing there is a scatter in process parameters, such as flow velocity or temperature levels, which in turn cause a scatter in the performance of the final product (e.g. local elongation at fracture or ultimate tensile strength). Means to increase process stability and yield are often limited to knowledge-based improvements of the manufacturing process parameters and adaptations of the gating and overflow system. Major changes to the part geometry are usually no longer possible due to project time constraints. Therefore it is the goal of this thesis to optimize modularized basic geometries, like ribs or bends, by using numerical shape optimizations and employ them right from the beginning of the part development process. For the objective functions of the optimizations the disciplines of fluid dynamic filling and the resulting structural behaviour are considered. In addition, the resulting shape is analyzed with regards to robustness towards scatter in manufacturing operating conditions. By using these new modularized geometries the overall robustness of the final product is expected to be increased.

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Mikrosiebe über das Float Casting Verfahren hergestellt und durch Ink Jet Druck stabilisiert werden. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt Mikrosiebe großflächig auf einem Langmuirtrog herzustellen und noch schwimmend auf der Wasseroberfläche zu bedrucken, so dass stabilisierte Mikrosiebe von der Wasseroberfläche abgehoben werden können. Zur Herstellung der Mikrosiebe wird das Prinzip der Partikel-assistierten Benetzung verwendet, bei dem eine Dispersion aus Silikapartikeln, Monomer und Initiator auf einer Wasseroberfläche gespreitet wird. Die Partikel ordnen sich dabei von selbst in einer hexagonal dichtesten Packung an und dienen sowohl als Spreithilfe als auch als Porenbildner. Nach dem Entfernen der Partikel entsteht ein poröses Mikrosieb mit einheitlichen, dicht gepackten Poren. Durch das Aufdrucken einer Wabenstruktur als Stützstruktur wird eine ausreichende Stabilisierung erreicht, so dass die Siebe in Filtrationsversuchen eingesetzt werden können. Das entstehende Gefüge, bestehend aus einem Mikrosieb mit einer Dicke im Nanometerbereich wird von einer Stützstruktur, welche eine Dicke im Mikrometerbereich besitzt, stabilisiert. Außerdem wird gezeigt, wie eine Wasseroberfläche Schritt für Schritt modifiziert wird, so dass es möglich ist grazile Strukturen auf eine Wasseroberfläche zu drucken. Diese Strukturen können anschließend von der Wasseroberfläche abgehoben werden und stehen nach dem Trocknen als freistehende Strukturen zur Verfügung.

Principal message of this thesis is to introduce designer Pavel Pánek putting him into proper historical context and to reveal some of his unpublished designs or sketches which are hidden to the eye of wider audience. First chapter is fully devoted to the concise history of technique of pressing glass and mention is made of so called pressing ring playing important role in it. One of the sections contains in brief Pavel Pánek's biography where some moments of crucial importance are underlined. Most important part is that, which provides with account of Pánek's works that I found either interesting or crucial for the development of pressed glass. At the beginning of the description of each piece brief description of used technology is added. I am striving to emphasize Pánek's inexhaustible inventiveness and knowledge of techniques that eventually gave rise to some of his best pieces ever. It appears that in some way Pánek was to a certain extent predestined to grow into a sculptor of great providence especially for the sake of his vocational education. Due to the fact Pánek's personality faces false accusation of plagiarism and theft of foreign invention nowadays I had to include apologetic chapter in it. At the end of the thesis I conclude that Pánek, embodied one of the most experimentally -...

Modern manufacturing systems need new types of scheduling methods. While traditional scheduling methods are primarily concerned with sequencing of jobs, modern manufacturing environments provide the additional possibility to process jobs in batches. This adds to the complexity of scheduling. There are two types of batching namely: (i) serial batching (jobs may be batched if they share the same setup on a machine and one job is processed at a time. The machine which processes jobs in this manner is called as discrete processor) and (ii) parallel batching (several jobs can be processed simultaneously on a machine at a time. The machine which processes jobs in this manner is called as batch processor or batch processing machine). Parallel batching environments have attracted wide attention of the researchers working in the field of scheduling. Particularly, taking inspiration from studies of scheduling batch processors in semiconductor manufacturing [Mathirajan and Sivakumar (2006b) and Venkataramana (2006)] and in steel casting industries [Krishnaswamy et al. (1998), Shekar (1998) and Mathirajan (2002)] in the Management Studies Department of Indian Institute of Science, this thesis addresses a special problem on scheduling batch processor, observed in the steel casting manufacturing. A fundamental feature of the steel casting industry is its extreme flexibility, enabling castings to be produced with almost unlimited freedom in design over an extremely wide range of sizes, quantities and materials suited to practically every environment and application. Furthermore, the steel casting industry is capital intensive and highly competitive. From the viewpoint of throughput and utilization of the important and costly resources in the foundry manufacturing, it was felt that the process-controlled furnace operations for the melting and pouring operations as well as the heat-treatment furnace operations are critical for meeting the overall production schedules. The two furnace operations are batch processes that have distinctive constraints on job-mixes in addition to the usual capacity and technical constraints associated with any industrial processes. The benefits of effective scheduling of these batch processes include higher machine utilization, lower work-in-process (WIP) inventory, shorter cycle time and greater customer satisfaction [Pinedo (1995)]. Very few studies address the production planning and scheduling models for a steel foundry, considering the melting furnace of the pre-casting stage as the core foundry operation [Voorhis et al. (2001), Krishnaswamy et al. (1998) and Shekar (1998)]. Even though the melting and pouring operations may be considered as the core of foundry operations and their scheduling is of central importance, the scheduling of heat-treatment furnaces is also of considerable importance. This is because the processing time required at the heat treatment furnace is often longer compared to other operations in the steel-casting foundry and therefore considerably affects the scheduling, overall flow time and WIP inventory. Further, the heat-treatment operation is critical because it determines the final properties that enable components to perform under demanding service conditions such as large mechanical load, high temperature and anti-corrosive processing. It is also important to note that the heat-treatment operation is the only predominantly long process in the entire steel casting manufacturing process, taking up a large part of total processing time (taking up to a few days as against other processes that typically take only a few hours). Because of these, the heat-treatment operation is a major bottleneck operation in the entire steel casting process. The jobs in the WIP inventory in front of heat-treatment furnace vary widely in sizes (few grams to a ton) and dimensions (from 10 mm to 2000 mm). Furthermore, castings are primarily classified into a number of job families based on the alloy type, such as low alloy castings and high alloy castings. These job families are incompatible as the temperature requirement for low alloy and high alloy vary for similar type of heat-treatment operation required. These job families are further classified into various sub-families based on the type of heat treatment operations they undergo. These sub-families are also incompatible as each of these sub-families requires a different combination of heat-treatment operation. The widely varying job sizes, job dimensions and multiple incompatible job family characteristic introduce a high degree of complexity into scheduling heat-treatment furnace. Scheduling of heat-treatment furnace with multiple incompatible job families can have profound effect on the overall production rate as the processing time at heat-treatment operation is very much longer. Considering the complexity of the process and time consumed by the heat treatment operation, it is imperative that efficient scheduling of this operation is required in order to maximize throughput and to enhance productivity of the entire steel casting manufacturing process. This is of importance to the firm. The concerns of the management in increasing the throughput of the bottleneck machine, thereby increasing productivity, motivated us to adopt the scheduling objective of makespan. In a recent observation of heat-treatment operations in a couple of steel casting industries and the research studies reported in the literature, we noticed that the real-life problem of dynamic scheduling of heat-treatment furnace with multiple incompatible job families, non-identical job sizes, non-identical job dimensions, non-agreeable release times and due dates to maximize the throughput, higher utilization and minimize the work-in-process inventory is not at all addressed. However, there are very few studies [Mathirajan et al. (2001, 2002, 2004a, 2007)] which have addressed the problem of scheduling of heat-treatment furnace with incompatible job families and non-identical job sizes to maximize the utilization of the furnace. Due to the difference between the real-life situation on dynamic scheduling of heat-treatment furnace of the steel casting manufacturing and the research reported on the same problem, we identified three new class of batch processor problems, which are applicable to a real-life situation based on the type of heat-treatment operation(s) being carried out and the type of steel casting industry (small, medium and large scale steel casting industry) and this thesis addresses these new class of research problems on scheduling of batch processor. The first part of the thesis addresses our new Research Problem (called Research Problem 1) of minimizing makespan (Cmax) on a batch processor (BP) with single job family (SJF), non-identical job sizes (NIJS), and non-identical job dimensions (NIJD). This problem is of interest to small scale steel casting industries performing only one type of heat treatment operation such as surface hardening. Generally, there would be only a few steel casting industries which offer such type of special heat-treatment operation and thus the customer is willing to accept delay in the completion of his orders. So, the due date issues are not important for these types of industries. We formulate the problem as Mixed Integer Linear Programming (MILP) model and validate the proposed MILP model through a numerical example. In order to understand the computational intractability issue, we carry out a small computational experiment. The results of this experiment indicate that the computational time required, as a function of problem size, for solving the MILP model is non-deterministic and non-polynomial. Due to the computational intractability of the proposed MILP model, we propose five variants of a greedy heuristic algorithm and a genetic algorithm for addressing the Research Problem 1. We carry out computational experiments to obtain the performance of heuristic algorithms based on two perspectives: (i) comparison with optimal solution on small scale instances and (ii) comparison with lower bound for large scale instances. We choose five important problem parameters for the computational experiment and propose a suitable experimental design to generate pseudo problem instances. As there is no lower bound (LB) procedure for the Research Problem1, in this thesis, we develop an LB procedure that provides LB on makespan by considering both NIJS and NIJD characteristics together. Before using the proposed LB procedure for evaluating heuristic algorithms, we conduct a computational experiment to obtain the quality of the LB on makespan in comparison with optimal makespan on number of small scale instances. The results of this experiment indicate that the proposed LB procedure is efficient and could be used to obtain LB on makespan for any large scale problem. In the first perspective of the evaluation of the performance of the heuristic algorithms proposed for Research Problem 1, the proposed heuristic algorithms are run through small scale problem instances and we record the makespan values. We solve the MILP model to obtain optimal solutions for these small scale instances. For comparing the proposed heuristic algorithms we use the performance measures: (a) number of times the proposed heuristic algorithm solution equal to optimal solution and (b) average loss with respect to optimal solution in percentage. In the second perspective of the evaluation of the performance of the heuristic algorithms, the proposed heuristic algorithms are run through large scale problem instances and we record the makespan values. The LB procedure is also run through these problem instances to obtain LB on makespan. For comparing the performance of heuristic algorithms with respect to LB on makespan, we use the performance measures: (a) number of times the proposed heuristic algorithm solution equal to LB on makespan (b) average loss with respect to LB on makespan in percentage, (c) average relative percentage deviation and (d) maximum relative percentage deviation. We extend the Research Problem 1 by including additional job characteristics: job arrival time to WIP inventory area of heat-treatment furnace, due date and additional constraint on non-agreeable release time and due date (NARD). Due date considerations and the constraint on non-agreeable release times and due date (called Research Problem 2) are imperative to small scale steel casting foundries performing traditional but only one type of heat treatment operation such as annealing where due date compliance is important as many steel casting industries offer such type of heat treatment operations. The mathematical model, LB procedure, greedy heuristic algorithm and genetic algorithm proposed for Research Problem 1, including the computational experiments, are appropriately modified and\or extended for addressing Research Problem 2. Finally, we extend the Research Problem 2 is by including an additional real life dimension: multiple incompatible job families (MIJF). This new Research Problem (called Research Problem 3) is more relevant to medium and large scale steel casting foundries performing more than one type of heat treatment operations such as homogenizing and tempering, normalizing and tempering. The solution methodologies, the LB procedure and the computational experiments proposed for Research Problem 2 are further modified and enriched to address the Research Problem 3. From the detailed computational experiments conducted for each of the research problems defined in this study, we observe that: (a) the problem parameters considered in this study have influence on the performance of the heuristic algorithms, (b) the proposed LB procedure is found to be efficient, (c) the proposed genetic algorithm outperforms among the proposed heuristic algorithms (but the computational time required for genetic algorithm increases as problem size keeps increasing), and (d) in case the decision maker wants to choose an heuristic algorithm which is computationally most efficient algorithm among the proposed algorithms, the variants of greedy heuristic algorithms : SWB, SWB(NARD), SWB(NARD&MIJF) is relatively the best algorithm for Research Problem 1, Research Problem 2 and Research Problem 3 respectively.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gefügebildung dünnwandig erstarrter Eisenlegierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im experimentellen Teil wurden Stahlgusslegierungen unter Variation ihrer Zusammensetzung erschmolzen und in Quarzsandformen vergossen. Das erhaltene Probenmaterial wurde im Gusszustand sowie nach optional angewendeten Wärmebehandlungen untersucht. Die Abhängigkeiten zwischen chemischer Zusammensetzung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wurden quantitativ dargelegt. Der Modellierungsteil enthält die Ergebnisse der Simulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses eines ausgewählten Stahlgusswerkstoffs. Zur Durchführung der Simulation kamen kommerziell verfügbare Softwarepakete zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit experimentell ermittelten Daten verglichen und die Adäquatheit der Simulation beurteilt. Die Anwendbarkeit der genutzten Simulationsmethoden auf den Bereich dünnwandiger Stahlgussteile wurde aufgezeigt.

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Mikrosiebe über das Float Casting Verfahren hergestellt und durch Ink Jet Druck stabilisiert werden. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt Mikrosiebe großflächig auf einem Langmuirtrog herzustellen und noch schwimmend auf der Wasseroberfläche zu bedrucken, so dass stabilisierte Mikrosiebe von der Wasseroberfläche abgehoben werden können. Zur Herstellung der Mikrosiebe wird das Prinzip der Partikel-assistierten Benetzung verwendet, bei dem eine Dispersion aus Silikapartikeln, Monomer und Initiator auf einer Wasseroberfläche gespreitet wird. Die Partikel ordnen sich dabei von selbst in einer hexagonal dichtesten Packung an und dienen sowohl als Spreithilfe als auch als Porenbildner. Nach dem Entfernen der Partikel entsteht ein poröses Mikrosieb mit einheitlichen, dicht gepackten Poren. Durch das Aufdrucken einer Wabenstruktur als Stützstruktur wird eine ausreichende Stabilisierung erreicht, so dass die Siebe in Filtrationsversuchen eingesetzt werden können. Das entstehende Gefüge, bestehend aus einem Mikrosieb mit einer Dicke im Nanometerbereich wird von einer Stützstruktur, welche eine Dicke im Mikrometerbereich besitzt, stabilisiert. Außerdem wird gezeigt, wie eine Wasseroberfläche Schritt für Schritt modifiziert wird, so dass es möglich ist grazile Strukturen auf eine Wasseroberfläche zu drucken. Diese Strukturen können anschließend von der Wasseroberfläche abgehoben werden und stehen nach dem Trocknen als freistehende Strukturen zur Verfügung.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gefügebildung dünnwandig erstarrter Eisenlegierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im experimentellen Teil wurden Stahlgusslegierungen unter Variation ihrer Zusammensetzung erschmolzen und in Quarzsandformen vergossen. Das erhaltene Probenmaterial wurde im Gusszustand sowie nach optional angewendeten Wärmebehandlungen untersucht. Die Abhängigkeiten zwischen chemischer Zusammensetzung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wurden quantitativ dargelegt. Der Modellierungsteil enthält die Ergebnisse der Simulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses eines ausgewählten Stahlgusswerkstoffs. Zur Durchführung der Simulation kamen kommerziell verfügbare Softwarepakete zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit experimentell ermittelten Daten verglichen und die Adäquatheit der Simulation beurteilt. Die Anwendbarkeit der genutzten Simulationsmethoden auf den Bereich dünnwandiger Stahlgussteile wurde aufgezeigt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Keimbildung 2.2 Unterkühlung 2.3 Erstarrungsmorphologie 2.4 Gießfehler 2.5 Erkenntnisstand und Defekte 3 Aufgabenstellung und ihre Präzisierung 4 Kleintechnische Versuche zur Herstellung dünnwandiger Stahlgussteile 4.1 Genutzte Anlagen und Untersuchungsmethoden 4.2 Auswahl der Versuchslegierungen 4.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 4.3.1 Duplexstahl 4.3.2 Ferritisch-bainitischer TRIP-Stahl 4.3.3 Bainitischer luftvergüteter Stahl 5 Modellierung des Erstarrungsprozesses 5.1 Simulationsmethoden 5.2 Formfüllsimulation 5.3 Erstarrungssimulation 5.4 Bewertung der Simulationsergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis 8 Tabellen 9 Bilder Anhang

Am Anfang des Entwicklungsprozesses eines Gussbauteils für die Automobilbranche steht klassischerweise die konstruktive Ausarbeitung und die Auslegung auf Zielgrößen, wie Festigkeit, Steifigkeit bzw. die Erfüllung der Crashlasten. Im nächsten Entwicklungsschritt wird, oftmals in Zusammenarbeit mit externen Lieferanten, das Werkzeugkonzept entwickelt und die Herstellbarkeit mit Hilfe von Gießsimulationen abgesichert. Bei der Fertigung verursachen streuende Prozessgrößen, wie etwa Geschwindigkeits- oder Temperaturniveaus, Schwankungen in der Leistungsfähigkeit des Endprodukts (z. B. lokale Bruchdehnung oder Zugfestigkeit). Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessstabilität und zur Reduktion des Verschleißes konzentrieren sich oftmals auf die erfahrungsbasierte Verbesserung des Fertigungsprozesses und Anpassungen des Anguss- und Überlaufsystems. Größere Änderungen der Bauteilgeometrie sind häufig aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, optimierte modularisierte Grundgeometrien, wie Rippen oder Umlenkungen, mit Hilfe von numerischen Formoptimierungen zu entwickeln, um diese schon von Anfang an in der Bauteilentwicklung zu berücksichtigen. Als Zielfunktionen dienen strömungs- und strukturmechanische Kenngrößen, um einerseits verschleißfördernde Mechanismen und füllungsbedingte Defekte zu reduzieren und andererseits die Beanspruchbarkeit zu erhöhen. Bei den Untersuchungen wird zusätzlich die Robustheit des Ergebnisses analysiert, um Verbesserungspotenziale auch bei streuenden Randbedingungen realisieren zu können.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis / The virtual development process of an automotive casting part usually begins with classical design tasks and analyses of material strength, stiffness and crash load cases. In the next step, often in cooperation with external suppliers, the tooling concept is developed and casting simulations are used to ensure manufacturability. During manufacturing there is a scatter in process parameters, such as flow velocity or temperature levels, which in turn cause a scatter in the performance of the final product (e.g. local elongation at fracture or ultimate tensile strength). Means to increase process stability and yield are often limited to knowledge-based improvements of the manufacturing process parameters and adaptations of the gating and overflow system. Major changes to the part geometry are usually no longer possible due to project time constraints. Therefore it is the goal of this thesis to optimize modularized basic geometries, like ribs or bends, by using numerical shape optimizations and employ them right from the beginning of the part development process. For the objective functions of the optimizations the disciplines of fluid dynamic filling and the resulting structural behaviour are considered. In addition, the resulting shape is analyzed with regards to robustness towards scatter in manufacturing operating conditions. By using these new modularized geometries the overall robustness of the final product is expected to be increased.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis