Nas construções de caldeiras de força, vasos de pressão e outros tipos de equipamentos para os diversos segmentos industriais têm exigido da engenharia de materiais um desenvolvimento tecnológico para melhores processos na obtenção de materiais fundidos, forjados, laminados, e outros. Desenvolver recursos tecnológicos que minimizem a presença de imperfeições que possam comprometer a integridade estrutural dos equipamentos que operam com pressão tem sido uma busca constante tanto nas usinas como nas indústrias de bens de capital nas fases das construções. Uma construção implica em seleção de materiais, projeto, fabricação, exames, inspeção, testes, certificação e dispositivos de alívio que atendam aos requisitos dos códigos e normas. Estes requisitos estão cada vez maiores e estabelecem limites para a existência destas imperfeições vão de encontro à necessidade de lançar mão de métodos de ensaios não destrutivos que permitam sempre a melhor probabilidade de detecção. Os processos de controle da qualidade têm buscado por meio das novas tecnologias aumentarem a sua sensibilidade, visando à detecção de descontinuidades que hoje são detectadas pelos métodos convencionais. Em termos de ensaios não destrutivos, as exigências para o ensaio radiográfico convencional estão no limite da sensibilidade dos filmes radiográficos industriais disponíveis, além do compromisso de buscar um tempo de exposição menor ser sempre um fator importante a ser considerado na qualidade, segurança e produtividade tanto na fábrica como no campo. O objetivo deste trabalho foi estudar e avaliar a técnica de radiografia computadorizada (RC) em relação à radiografia convencional para inspeção dos materiais, utilizando os parâmetros de avaliação, tais como, relação sinal ruído, resolução espacial, ferramentas para detectabilidade, sensibilidade ao contraste e tons de cinza, que são aplicáveis nas avaliações de imagens digitais. Para a avaliação da técnica de radiografia industrial digital foi utilizado um corpo-de-prova fabricada pelo processo de fundição com espessura de 75 a 150 mm, com defeitos típicos do processo. O corpo-de-prova foi radiografado com a técnica convencional e digital. Na técnica convencional foram utilizados os filmes radiográficos industriais tipos I e II do ASTM E 1815, um acelerador linear Varian modelo Linatron 400 de 4 MeV e duas fontes de Cobalto-60 com atividades diferentes. Na técnica computadorizada foram utilizados as mesmas fontes de radiação, uma placa de fósforo denominada IPX e um equipamento CR-50P ambos da GE IT. Pelos resultados obtidos pode-se verificar que a radiografia digital com os equipamentos avaliados, atende satisfatoriamente os códigos e normas que são utilizadas na avaliação de peças fundidas. A técnica mostrou-se mais qualitativa quando na avaliação das descontinuidades localizadas nas seções críticas, pois o sistema RC possibilita a utilização de ferramenta de perfil de linha que fornece os valores de nível de cinza ao longo de uma trajetória linear demarcada na área da imagem da descontinuidade. Com isto, mesmo em poucos experimentos e um único sistema de RC pode-se concluir que a técnica é bastante vantajosa na detecção de descontinuidades nos processos de fabricação e que atendeu tanto os requisitos do ASTM E 272 para o cobre ou o ASME Seção VIII Divisão 1, Apêndice 7 que referenciam os padrões radiográficos conforme as normas ASTM E-186 e ASTM E-280 para aços fundidos. / In the constructions of power boilers, pressure vessels and other equipment for several industries has required the development of materials engineering technology for better processes in obtaining materials cast, forged, rolled, and others. Develop technological resources that minimize the presence of imperfections that could compromise the structural integrity of the equipment operating pressure has been a constant search both in plants and in capital goods industries phases of construction. A construction involves materials selection, design, fabrication, testing, inspection, testing, certification, and relief devices that meet the requirements of codes and standards. These requirements are increasing and establish limits for the existence of these imperfections go against the need to resort to non-destructive testing methods that enable always the best probability of detection. The processes of quality control have sought through new technologies increase their sensitivity in order to detect discontinuities of today are detected by conventional methods. In terms of non-destructive testing, requirements for conventional radiographic testing are at the limit of sensitivity of available industrial radiographic films, besides the commitment to seek a lower exposure time is always an important factor to be considered in quality, safety and productivity both in the factory and in the field. The aim of this work was to study and evaluate the technical radiography Computed (RC) compared to conventional radiography for inspection of materials, using evaluation parameters such as signal to noise ratio, spatial resolution, and tools for detectability, contrast sensitivity and grayscale, which apply in evaluations of digital images. For the evaluation of industrial radiography technique it was used a test specimen manufactured by the casting process with thickness from 75 to 150 mm, with typical defects in the process. The test specimen was X-rayed with the conventional and digital techniques. In the conventional technique were used industrial radiographic films types I and II to ASTM E 1815, a linear accelerator Varian model 400 Linatron 4 MeV and two cobalt-60 sources with different activities. In the technique computed were used the same radiation source, a phosphor plate IPX and an apparatus called CR-50P both GE IT. From the results it can be seen that with digital radiography equipment evaluated satisfactorily meets the codes and standards that are used in the evaluation of castings. The technique was more qualitative evaluation when the discontinuities located in critical sections for the system to use RC allows tool profile line shows values of gray level along a linear path demarcated in the image area discontinuity. With this, even in a few experiments a single system and RC can be concluded that the technique is quite advantageous in the detection of discontinuities in the manufacturing processes and that both met the requirements of ASTM E 272 for copper or ASME Section VIII Division 1, Appendix 7 that reference radiographic patterns according to ASTM E-186 and ASTM E-280 for steel castings.

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.

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