Today, there is an essential need for lightweight, energy-efficient, environmentally benign engineering systems, and this is the driving force behind the development of a wide range of structural and functional materials for energy generation, energy storage, propulsion, and transportation. These challenges have motivated the use of magnesium alloys for lightweight structural systems. Magnesium has a density of 1.74 g/cm3, which is almost 30% less than that of aluminium, one quarter of steel, and almost identicalto polymers. The ease of recycling magnesium alloys as compared to polymers makes them environmentally attractive, but their poor mechanical performance is the primary reason for the limited adoption of these alloys for structural applications. The Mg-Al-Zn alloy AZ91D exhibits an excellent combination of strength, die-castability, and corrosion resistance. However, its mechanical performance with regard to creep strength, for example, at evaluated temperatures is poor. Moreover, very little is known about the correlation between its mechanical properties and microstructural features. This thesis aims to provide new knowledge regarding the role played by microstructure in the mechanical performance of the magnesium alloy. The properties/performance of the material in relation to process parameters became of great interest during the investigation. An exhaustive characterisation of the grain size, secondary dendrite arm spacing (SDAS) distribution, and fraction of Mg17Al12 was performed using optical and electron backscatter diffraction (EBSD). These microstructural parameters were correlated to the offset yield point (Rp0.2), fracture strength, and elongation to failure of the material. It was proposed that the intermetallic phase, Mg17Al12, plays an important role in determining the mechanical and physical properties of the alloy in a temperature range of room temperature to 190°C by forming a rigid network of intermetallic. The presence of this network was confirmed by studying the thermal expansion behaviour of samples of the alloy containing different amounts of Mg17Al12. A physically based constitutive model with a wide validity range was successfully adapted to describe the flow stress behaviour of AZ91D with various microstructures. The temperature-dependent variables of the model correlated quite well with the underlying physics of the material. The model was validated through comparison with dislocation densities obtained using EBSD. The influence of high-pressure die-cast parameters on the distortion and residual stress of the cast components was studied, as were distortion and residual stress in components after shot peening and painting. Interestingly, it was found that intensification pressure has a major effect on distortion and residual stresses, and that the temperature of the fixed half of the die had a slight influence on the component's distortion and residual stress. / Numera finns det ett väsentligt behov av lätta, energieffektiva och miljövänliga tekniksystem. Detta behov är drivkraften för utveckling av ett brett utbud av material för energigenerering, energilagring, framdrivning och transport. Dessa utmaningar motiverade användningen av magnesiumlegeringar för lättviktskonstruktioner. Magnesium har en densitet på 1,74 g/cm3, vilket är ca 30% lägre än för aluminium, en fjärdedel av densiteten för stål och nästan i nivå med många polymerer. Då magnesiumlegeringar dessutom är lätta att återvinna, jämfört med polymerer, gör det dem miljömässigt attraktiva. Låga mekaniska egenskaper är den främsta orsaken till begränsad användning av dessa legeringar för lastbärande tillämpningar. Mg-Al-Zn-legeringen AZ91D uppvisar en utmärkt kombination av styrka, gjutbarhet och korrosionsbeständighet. Dess mekaniska egenskaper vid förhöjd temperatur, som tex kryphållfasthet, är låga. Dessutom är korrelationen mellan mikrostruktur och mekaniska egenskaper oklar. Denna avhandling syftade till att ge ny kunskap om mikrostrukturens roll för magnesiumlegeringars mekaniska egenskaper. Slutligen var materialets egenskaper i förhållande till processparametrar vid tillverkningen av stort intresse. En omfattande karaktärisering av kornstorleks-, sekundära dendritarmavstånds (SDAS)-fördelning och fraktion av Mg17Al12 utfördes med hjälp av optisk mikroskopering och diffraktion av bakåtspridda elektroner (EBSD). Mikrostrukturen korrelerades till sträckgränsen (Rp0.2), brottstyrkan och brottförlängningen. Det föreslogs att den intermetalliska fasen, Mg17Al12, spelar en viktig roll vid bestämning av legeringens mekaniska och fysikaliska egenskaper vid temperaturintervall från rumstemperatur upp till 190°C genom att bilda ett styvt nätverk av intermetaller. Uppkomsten av ett sådant nätverk stöddes genom en studie av den termiska expansionen av legeringen för olika fraktioner av Mg17Al12. En fysikalisk konstitutiv modell med ett brett giltighetsområde användes framgångsrikt för att beskriva det plastiska flytbeteendet hos AZ91D för olika mikrostrukturer. De temperaturberoende variablerna i modellen korrelerade ganska väl med materialets underliggande fysik. Modellen validerades genom att jämföra dislokationstätheten som predikterades av modellen och den med EBSD uppmätta dislokationstätheten. Påverkan av pressgjutningsparametrar på geometrisk tolerans och restspänning hos de gjutna komponenterna studerades. Vidare studerades geometrisk tolerans och restspänning av komponenter efter pening och målning. Intressant nog hade eftermatningsfasen en stor effekt på geometrisk tolerans och restspänningar. Dessutom hade temperaturen på den fasta formhalvan av verktyget även ett visst inflytande på komponentens geometriska tolerans och restspänning.

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The diploma thesis is focuses on new technology in of high pressure die casting industry. Attention is paid in particular to heating, cooling and the influence of the die lubricants on the quality of castings. theoretical knowledge was applied in practise. The optimization of the production cycle was carried out using a high temperature die lubricant and subsequent evaluation on particular casts in foundry KOVOLIT Modřice a.s.

Kongsberg Automotive is developing a brand-new actuator for engaging and disengaging a clutch for different driveline applications. This master thesis research improves the concept design of the shift fork for the new Dog-Clutch Actuator using Design for Manufacturability (DFM). Initially, the knowledge about the mechanism of the product is gained with the aid of the design team and the proper boundary conditions for the boundary value problem are obtained. The conventional die-cast materials are investigated, and appropriate material is selected to create the material model. Most of the traditional HPDC aluminum alloys are aluminum-silicon system; therefore, a detailed study on the nucleation of Silicon in the melt and how it influences the mechanical properties of the alloy is conducted. During gear engagement, the two rotating gears of the dog-clutch collide and synchronize the angular velocity of the hub and the input gear. The synchronization force is dynamic; therefore, explicit time integration is used to capture the system's response with the assistance of FEM software. As the shift fork undergoes cyclic load during the gear shift, the fatigue analysis is performed to evaluate the life (Nf) of the component using Wohler's curve. The value of the maximum principal stress at the critical spots like notch and its direction are determined using the 3D Mohr's circle. In this analysis, the endurance limit correction factors and notch factor (Kf) are used for the S-N curve correction, and Goodman's criteria are used to incorporate the mean stress effect. Fatigue analysis requires a very fine mesh to estimate the precise stress magnitude at the critical locations and, the structural optimization algorithm requires many iterations to determine the optimal layout of the shift fork. Therefore, the explicit integration scheme is not efficient as it will be computationally expensive and time-consuming to solve the problem. Hence, the equivalent static load is determined for the gear shift force at the peak load and used for calculations and product development. As the initial concept design of the shift fork is asymmetrical, it requires varying stiffness in its structure to transfer the force efficiently to the shift sleeve. The FEA results state that one prong of the shift fork experience up to 75% of the total load, which increases the overall stress of the component (up to 0.9Sy). The shift fork also doesn't have adequate torsional stiffness, and as a result, stress concentration has occurred in one of the fillets in the shift fork. The iterative design is set up to improve the design of the shift fork by optimizing the stiffness of the two prongs which provided the key observations that describe the design changes which improved the design. In this phase, the overall stress of the component is reduced by 20% and minimizes the difference in the load between the two prongs by 27.5% compared to the initial design. The shift fork needs to be light to achieve the necessary acceleration during the gear shift. Therefore, topology optimization using the projected subgradient method is implemented to optimize the mass and compliance of the improved design in the iterative design phase. Then the design realization phase is set up to implement the results obtained from the topology optimization to conceptualize the viable product. The optimized result decreased the overall stress and maximum deflection by 20%. It also reduced the load difference in the two prongs of the shift fork by 35% by maintaining the same mass as the initial concept design.

Im Rahmen der Arbeit wurde das Potential von Magnesium für den Einsatz im Fahrwerk eines Automobils, am Beispiel der Querbrücke des Hinterachsträgers, ermittelt. Verschiedene Mg-Legierungen wurden im konventionellen und vakuumunterstützen Druckguss vergossen und der Al-Legierung vergleichend gegenübergestellt. Es wurden in einem ersten Schritt statische und zyklische Werkstoffkennwerte sowie Materialmodelle erforscht und bewertet. Verschiedene Lastfälle im Standard- und Sonderfahrbetrieb wurden durch statische und zyklische Betriebsfestigkeitssimulationen abgesichert. Konstruktive Bauteiloptimierungen waren notwendig um den Werkstoff Magnesium an die Anforderungen der Querbrücke anzupassen. Äußere Umwelteinflüsse im Fahrbetrieb machten ein Korrosionsschutzkonzept für die Querbrücke aus Magnesium notwendig. Untersucht wurden dabei verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung von Kontakt- und Oberflächenkorrosion. Grundsätzlich scheint der Einsatz von Magnesium im Fahrwerk im Bereich mittlerer Betriebsbelastungen denkbar.

Additive manufacturing can bring several advantages in tooling applications especially hot working tooling as high pressure die casting. Printing of conformal cooling channels can lead to improved cooling and faster solidification, which, in turn, can possibly result in better quality of the cast part. However, few studies on advantages of additive manufactured tools in high pressure die casting are published.The aim of this study was to investigate and quantify the effect of conformal cooling on microstructure and mechanical properties of high pressure die cast aluminum alloy. Two tools each consisting of two die inserts were produced with and without conformal channels using additive manufacturing. Both tools were used in die casting of aluminum alloy. Aluminum specimens were then characterized microstructurally in light optical microscope for secondary arm spacing measurements and subjected to tensile and hardness testing. Cooling behavior of different inserts was studied with a thermal camera and by monitoring the temperature change of cooling oil during casting. Surface roughness of die inserts was measured with profilometer before and after casting.Thermal imaging of temperature as a function of time and temperature change of oil during casting cycle indicated that conformal insert had faster cooling and lower temperature compared to conventional insert. However, thermal imaging of temperature after each shot in a certain point of time showed higher maximum and minimum temperature on conformal die surface but no significant difference in normalized temperature gradient compared to the conventional insert.The average secondary dendrite arm spacing values were fairly similar for samples from conventional and conformal inserts, while more specimens from conventional insert demonstrated coarser structure. Slower cooling in conventional insert could result in the coarser secondary dendrite arm spacing.Tensile strength and hardness testing revealed no significant difference in mechanical properties of the specimens cast in conventional and conformal die inserts. However, reduced deviations in hardness was observed for samples cast with conformal insert. This is in agreement with secondary dendrite arm spacing measurements indicating improved cooling with conformal insert.Surface roughness measurement showed small wear of the inserts. More castings are needed to observe a possible difference in wear between the conventional and conformal inserts.Small observed differences in cooling rate and secondary arm spacing did not result in evident difference in mechanical properties of the aluminum alloy but the variation in properties were reduced for samples cast with conformal cooling. Future work may include more accurate measurement of cooling behavior with a thermocouple printed into the die insert, casting of thicker specimen for porosity evaluation and fatigue testing and longer casting series to evaluate the influence of conformal cooling on tool wear.

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