Strömungskavitative Erosion zur Bauteilreinigung
Bei vielen Gießprozessen entstehen durch Formzwischenräume ungewollte Materialablagerungen – sogenannte Blinds. Diese müssen bisher in nachfolgenden Prozessschritten manuell entfernt werden und bedingen so einen erhöhten Herstellungsaufwand der Gussbauteile und damit erhöhte Kosten. Ziel dieses Forschungsvorhabens war, mittels einer strömungskavitativen Bauteilreinigung eine vollautomatische Entgratung und Reinigung zu ermöglicht. Dabei standen die Simulation dieser Effekte sowie die anschließende Validierung im Zentrum dieses Forschungsvorhabens.
| Nutzen | Vorgehen |
|---|---|
| Neuartiges Reinigungskonzept | Simulation von Kavitation und Entgratungsvorgängen |
| Verständnis der Vorgänge bei Kavitation | Validierung der physikalischen Grundlagen an einem Prüfstand |
| Evaluation der Reinigungseffizienz durch Erosionsvorgänge | Umsetzung und Optimierung in einem industrienahen Demonstrator |
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Herausforderung von Reinigungssimulationen
Reinigungs- und Entgratungssimulationen sind trotz steigender Rechnerkapazitäten und -geschwindigkeiten bisher kaum realisiert worden. Insbesondere die Wechselwirkung zwischen Fluid und Festkörper, die sogenannte Fluid-Struktur-Interaktion, stellt in der Simulationstechnik eine große Herausforderung dar. Im Rahmen dieses Projektes sollte ein weiterer Schritt in die simulative Beschreibung eines neuartigen Reinigungsverfahrens gemacht werden, bei dem durch die gezielte Erzeugung von Kavitation in der Nähe von unerwünschten Strukturen Materialabtrag und so eine örtlich begrenzte Reinigungswirkung eintritt. In der Praxis kann die erfolgreiche Simulation beispielsweise dazu dienen, Toleranzen für die Formelemente genau zu definieren, sodass ein Abscheren des unerwünschten Materials gerade noch ermöglicht wird.
Prüfstandsentwicklung
Um die Simulationsergebnisse zu validieren, wurde am ifas ein Prüfstand entwickelt. Zwischen zwei Matrizen wird ein Probekörper eingespannt, welcher in Form und Materialzusammensetzung variiert werden kann. Für die ersten Untersuchungen wird dieser aus einer dünnen Aluminiumfolie modelliert und mit einem entsprechenden Öffnungsquerschnitt versehen. Diese Folie wird während des Versuchs mit Wasser durchströmt, wodurch zum einen durch den Fluidimpuls eine Kraft auf die Folie wirkt, zum anderen findet durch die Querschnittsverengung der blendenartigen Probegeometrie eine Beschleunigung des Fluids statt, sodass der statische Druck in diesem Bereich absinkt und zu Kavitationserscheinungen führt. Während der Versuchsdurchführung dient eine Hochgeschwindigkeitskamera zur visuellen Dokumentation der Blasenbildung, wobei deren Auftreten, Größe und Implosion im Postprocessing ausgewertet werden. Der Druck vor sowie nach dem Blind kann eingestellt werden, wobei die primäre Stellgröße die Höhe des Unterdrucks nach dem Demonstrator ist. Die Vorspannung des Flüssigkeitsspeichers am Eingang dient lediglich der Verstärkung der Effekte.
Isolation der Effekte
Ein zentrales Ergebnis war zum einen die Beurteilung des Ausmaßes des Reinigungseffektes und zum anderen die Feststellung, welche physikalischen Phänomene für den Reinigungsvorgang vorherrschend sind. So sollte der Einfluss des Fluid-impulses durch Einstellen der richtigen Randbedingungen isoliert und so Rückschlüsse auf das Ausmaß der Kavitationserosion getroffen werden. Schließlich sollte der Prüfstand der Optimierung des Reinigungsvorgangs unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten dienen.
Danksagung
Dieses Forschungsvorhaben wurde unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM).
Veröffentlichungen
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