Bemessen von Gussteilen
Die Anforderungen an gegossene Teile waren immer schon unterschiedlich hoch, doch gerade in heutiger Zeit werden von einem harten Wettbewerbsmarkt gegensätzliche Randbedingungen gefordert, die sehr schwer miteinander zu vereinbaren und einzuhalten sind. Zum einen sollen die Kosten niedrig sein und zum anderen muss die Konstruktion optimal bemessen sein, wie auch die Umweltbelange eingehalten werden müssen. Diese Herausforderungen gelten generell für alle hochwertigen Teile und in ihrer spezifischen Anwendung, und das für alle Gusswerkstoffe.
Während der Werkstoff Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL, Grauguss) schon seit Jahrhunderten hergestellt wird, hat der Werkstoff Stahlguss seine Entwicklung vor über hundert Jahren begonnen und hat bis heute seine Einsatzgebiete weitgehend beibehalten, obwohl er heute im Wettbewerb zum Gusseisen mit Kugelgraphit steht. Ein vergleichsweise junger Werkstoff ist dagegen das Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) mit etwas mehr als 60 Jahren. Durch eine konsequente Weiterentwicklung wurde dieser Werkstoff aber erst in den letzten 35 Jahren in Europa auf den Stand gebracht, den wir heute haben. Und das bedeutet, dass auf Grund der werkstofftechnischen Erfolge die Steigerung der Gesamtmenge produzierter GJS-Gussteile gegenüber Stahlguss stetig ist und diese Entwicklung auch so in den nächsten Jahren anhalten wird.
Vor diesem Hintergrund ist es sehr wichtig, geeignete Kriterien und Vorschriften zum Bemessen von Gussteilen dem Konstrukteur zur Verfügung zu stellen.
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Bemessungsanforderungen
Beim Bemessen und Gestalten von gegossenen Komponenten muss die Funktionalität und das betriebssichere Verhalten gewährleistet sein, möglichst bei gleichzeitig minimalem Werkstoffvolumen. Die besten Beispiele liefert ja die Natur, bei der sich oft durch Evolution über Jahrtausende optimale Konfigurationen entwickelt haben. Doch lassen sich bei der Gestaltung von Gussteilen nicht immer die Prinzipien der Bionik auf den Bauraum einer Konstruktion übertragen, da oft geometrische Zwänge den Freiraum zur Gestaltung einschränken. Bei dem im Bild 15 dargestellten Gussteil ist der Schritt von der konventionellen Gestaltung zur optimierten Form sehr gut gelungen, zumal hier das Gewicht und die Höhe der Betriebsspannungen reduziert werden konnten [20].
a) in konventioneller Ausführung
b) nach einer Topologieoptimierung mit 19 % Gewichts- und 37 % Spannungsreduzierung
Die Basis für eine erfolgreiche Gussteilbemessung ist die genaue Kenntnis der Belastungsrandbedingungen. Diese können je nach Anwendung einfach oder komplex sein. Während die Betriebsfestigkeit zum Beispiel einer Fliesenpresse (Bild 16) dann nachgewiesen ist, wenn mit der maximal möglichen Presskraft unendlich viele Lastwechsel mit der maximalen Spannungsamplitude gefahren werden önnen, die im Dauerfestigkeitsschaubild zulässig ist, ist die Erfassung von Lastrandbedingungen zum Beispiel bei einer Windenergieanlagen-Komponente sehr viel komplexer.
Dort müssen die relevanten Lastanteile aus einem turbulenten 3-D-Windfeld in Abhängigkeit von Zeitreihen beispielsweise für eine Nabe (Bilder 17 und 18) berechnet und ausgewertet werden. Die an den Blattwurzeln jeweils in drei Richtungen angreifenden Kräfte und Momente belasten die Nabe in variierenden Kraftkombinationen, deren resultierende Spannungen mit FEM-Analysen bestimmt werden. Die Bemessungsaufgabe besteht nun darin, aus den auftretenden möglichen Lastkombinationen diejenigen zu bestimmen, die für das Bauteil schädigungsrelevant sind und die in Wirklichkeit nicht auftreten dürfen.
Anforderungen an die Gießbarkeit
Eine weitere wichtige Voraussetzung für die Herstellung eines optimalen Gussteils ist das Abstimmen der Belange der Belastungssituation mit den Anforderungen der Gießtechnik. Denn Gießlage, Gießaufbau, Metallurgie, passive oder aktive Kühlung von Gussteilen beeinflussen die Gefügeausbildung. Mit diesen Parametern muss, auch mit Kompromissen, eine optimale Wahl getroffen werden, denn alle denkbaren Wunschoptionen können nicht gleichzeitig in einem Gussteil erfüllt werden. Dennoch erlaubt das Herstellungsverfahren Gießen eine an die Belastungen angepasste Gestaltung des Bauteils wie kein anderes Verfahren. Für die Detailkonstruktion müssen Voraussetzungen der Gießbarkeit je nach Werkstoff beachtet werden. So bedarf es bei der Anordnung von Rippen, bei der Gestaltung von Stegen und Knotenpunkten der Beachtung von Empfehlungen, die aus der Praxiserfahrung stammen, wie für Gusseisen das VDG-Merkblatt K 200 [21].
Berechnungsanforderungen
Um die Herstellbarkeit eines Gussteils im Voraus zu erkennen, sollte eine Simulation der Formfüllung und des Erstarrungsverlaufes durchgeführt werden. In vielen Fällen ist eine Eigenspannungsberechnung erforderlich. Für die Bewältigung der vielfältigen Berechnungsaufgaben stehen inzwischen Soft- und Hardware- Systeme zur Verfügung, die eine optimale Auswertung ermöglichen, auf die ausführlich unter 2.2 eingegangen wird.
Zur Bewertung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen sind Berechnungen erforderlich, wobei die Berechnungsergebnisse mit den Vorgaben aus Normen und Regelwerken verglichen und bewertet werden. Dazu müssen für den jeweiligen Werkstoff alle Materialdaten vorliegen. Diese sind neben den üblichen Kennwerten, wie Dehngrenze, Bruchdehnung, Festigkeit, Dauerschwingfestigkeit je nach Anforderungen auch Warmfestigkeit, Zeitfestigkeit, S/N-Kurve, statische oder dynamische Bruchzähigkeit und Dämpfung.
An den Realgussteilen selbst muss dann im Rahmen der Qualitätssicherung überprüft werden, ob die angenommenen Werte auch in den Gussteilen realisiert werden. Dies erfolgt durch die Prüfung von Proben, die angegossen sind oder durch Prüfung von Hohlbohrproben, die dann das Materialverhalten im Gussteil „vor Ort“ widerspiegeln.
Richtlinien und Regelwerke
Während im Bauwesen und im Druckbehälterbau schon sehr lange Richtlinien bestehen, deren Erfüllung von Behörden, Prüfgesellschaften oder vom TÜV geprüft werden, hat es für den allgemeinen Maschinenbau lange gedauert, bis Bemessungs-Richtlinien erarbeitet wurden.
Welche Richtlinie, Norm oder welches Regelwerk anzuwenden ist, hängt vom Besteller eines Gussteils ab. Wenn bei der Bestellung keine Forderungen gestellt werden, ist der Lieferant (oder Gießer) verpflichtet, nach dem neuesten Stand von Wissenschaft und Technik zu liefern. Dies bedeutet, dass der verantwortliche Konstrukteur oder Ingenieur für das Bauteil ein geeignetes Regelwerk anwendet.
Werden vom Besteller Nachweise gefordert, so hängt es davon ab, ob der Besteller innerhalb der Europäischen Union Nachweise nach Europäischen Regelwerken fordert oder ob ein weltweit gültiges Regelwerk zur Anwendung kommen soll. Dazu müssen dann auch akkreditierte Prüflabors eingeschaltet werden, was immer einen zusätzlichen Aufwand an Zeit und Kosten bedeutet.
Für die Bemessung von Druckbehältern gibt es mehrere Regelwerke (national, europäisch, weltweit). Für Off-Shore Anwendungen (hauptsächlich Ölplattformen) gelten spezielle Regelwerke, genauso wie auch für den Schiffsbau und für Windenergieanlagen. Die Standard-Gusswerkstoffe sind dagegen alle weltweit genormt. Sonder-Gusswerkstoffe werden von einzelnen Gießereien in Werksnormen geführt. Die wichtigsten Regelwerke für Gussteile aus Gusseisen mit Kugelgraphit sind:
I. ASME Boiler and Pressure Vessel Code
Der ASME-Code entstand in den USA als Druckbehältervorschrift der American Society of Mechanical Engineers. Er wird ständig durch das „Boiler and Pressure Vessel Committee“ auf dem neuesten Stand gehalten [22]. Der Code ist in seinen Vorschriften konservativ, jedoch weltweit als Standard-Regelwerk anerkannt. Als Gusswerkstoffe sind Stahlguss, Gusseisen mit Lamellen- und Kugelgraphit für den Einsatz als Druck führende Elemente wie Pumpengehäuse, Fittings und Rohre (Bild 19) zugelassen und in der Section II „Materials, Part A“ spezifiziert. Diese Spezifikationen entsprechen den ASTM Standards (US-Werkstoffnormen).
Das Auslegen der Gussteile erfolgt nach Section VIII „Pressure Vessels, Division 1 und 2“. Dort werden auch die Sicherheitsbeiwerte vorgegeben. In einem neueren Abschnitt „Division 3“ werden Regeln für die Auslegung von gewickelten Höchstdruckbehältern beschrieben. Als einzusetzende Werkstoffe sind jedoch Gusswerkstoffe hier ausgeschlossen. Im Bild 20 ist eine wickelvorgespannte Gusskonstruktion dargestellt, die nicht nach ASME ausgelegt wurde und trotzdem erfolgreich im Einsatz ist.
Der ASME-Code wird oft zum Bewerten der Zulässigkeit von berechneten Spannungen herangezogen, wie es zum Beispiel in der Section III „Division 1, Subsection NB“ für zähe Werkstoffe beschrieben wird. In Anlehnung hierzu wird auch oft eine einaxiale Spannungsbetrachtung für Gusswerkstoffe als Verfahren zum Ermitteln der maximalen Spannungsamplituden aus einer mehraxialen Belastung durchgeführt. Zum Bewerten von Rissen und Ungänzen kann die Section XI „Appendix A“ herangezogen werden, um Spannungsintensitätsfaktoren KI zu bestimmen, die dann mit Materialkennwerten verglichen und bewertet werden können.
Bruchmechanische Überlegungen müssen bei der Bemessung von Gussteilen dann mit berücksichtigt werden, wenn es sich bei dem Gussteil um eine sicherheitsrelevante Komponente handelt, bei der nicht entdeckte Ungänzen angenommen werden, die statistisch gesehen immer wieder bei einer Prüfung übersehen werden könnten und die bei entsprechender Belastung zu einem Versagen führen könnten.
II. Europäische Druckgeräterichtlinie
Diese Richtlinie gilt für Konstruktion, Herstellung und Konformitätsbewertung (Erfüllung der Anforderungen) von Druckgeräten mit einem zulässigen Überdruck von mehr als 0,5 bar [23]. In der Formulierung wird ausgedrückt, dass als Werkstoffe nur solche eingesetzt werden dürfen, die „... angemessene Eigenschaften für alle Betriebsbedingungen ...“ haben und „... ausreichend duktil und zäh ...“ sind, wobei Gusseisen mit Lamellengraphit nicht grundsätzlich ausgeschlossen wird, Gusseisen mit Kugelgraphit aber voll eingeschlossen ist [24]. So gilt nach einer Harmonisierung der Druckgeräte-Richtlinie mit den Gusseisen-Werkstoffnormen im Jahre 2000, dass alle DIN-EN-Gussnormen angewandt werden können.
Die Normen werden durch einen Hinweis im Vorwort und durch einen Anhang ZA an die Richtlinie allgemein angepasst. Die Eignung eines gewählten Werkstoffs kann im Einzelfall zum Beispiel durch Hinzuziehen der AD-Merkblätter überprüft werden.
Die Berechnungsvorschriften zu Druckgeräten werden in einer Normenreihe EN 13445 festgelegt.
Als Beispiel für eine drucktragende Komponente ist ein Dampfturbinenteil im Bild 21 dargestellt.
III. AD-Merkblätter
Die AD-Merkblätter wurden von der „Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter (AD)“ erstellt [25] und behandeln den Gültigkeitsbereich, alle Werkstoffsorten, Prüfungen, Kennzeichnung, Nachweis der Güteeigenschaften und Kennwerte für die Bemessung von Druckbehältern. Im Jahr 2000 hat der VdTÜV die AD-Merkblätter überarbeitet und als Merkblattreihe AD2000 neu herausgegeben. In der Reihe W sind für Gusseisen und Stahl Richtlinien zum Bau von Druckbehältern aufgeführt. Im Einzelnen sind dies:
- W3/1: Gusseisen mit Lamellengraphit, unlegiert und niedriglegiert;
- W 3/2: Gusseisen mit Kugelgraphit, unlegiert und niedriglegiert;
- W 3/3: Austenitisches Gusseisen mit Lamellengraphit;
- W 5: Stahlguss;
- W10: Werkstoffe für tiefe Temperaturen – Eisenwerkstoffe.
Diese Vorschriften gelten nur für Druckbehälter und können nicht allgemein auf den Maschinenbau angewendet werden.
IV. FKM-Richtlinien
Die FKM-Richtlinien „Rechnerische“ und „Bruchmechanische“ Festigkeitsnachweise für Maschinenbauteile [26, 27] wurden durch das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) in langjähriger Arbeit neu erstellt und gelten für alle metallischen Werkstoffe im allgemeinen Maschinenbau. Die Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“ basiert auf den ehemaligen TGL-Standards, die im Institut für Leichtbau, Dresden, in den Jahren 1979 bis 1988 erarbeitet wurden [28].
Während die unter I, II und III genannten Regelwerke sich hauptsächlich auf Druck tragende Komponenten beziehen, gilt die FKM-Richtlinie ganz allgemein für Maschinenbauteile und deckt somit umfassend einen großen Bereich ab. Sie ermöglicht den statischen, den Dauer- und Betriebsfestigkeitsnachweis für Bauteile des Maschinenbaus unter Beachtung aller wesentlichen Einflussgrößen [29]. Als Ergebnis der Auslegung nach dieser Richtlinie ist im Bild 22 ein Maschinenträger dargestellt.
Die „Bruchmechanik“-Richtlinie befasst sich mit dem Verhalten von Rissen und Werkstoffungänzen bei statischer und zyklischer Belastung und bezieht alle gängigen Werkstoffe mit ein. Somit sind die FKM-Richtlinien umfassende Regelwerke, die in Deutschland und anderen europäischen Ländern angewendet werden.
Für beide Teile der Richtlinien existieren Software-Programme, die den rechnerischen Nachweis erheblich erleichtern und vereinfachen.
V. Richtlinie für EN-GJS-400
Am Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt wurde in den Jahren 1993 bis 1997 ein Prüfprogramm zu Ermittlung der Schwingfestigkeit von GGG-40 (EN-GJS-400-15) in Dickwandguss mit und ohne Gefügeungänzen durchgeführt, an denen sieben Gießereien beteiligt waren [30, 31].
Während die FKM-Richtlinie ganz allgemein für alle metallischen Werkstoffe gilt, ist hier eine Bemessungsbasis geschaffen worden, die dem spezifischen Verhalten des Gefüges von GJS Rechnung trägt. Durch die Auswertesystematik gelang es, Kennwerte abzuleiten, die unabhängig von Geometrie, Belastungsart und Gradienten, einem bestimmten höchstbelasteten Werkstoffvolumen zugeordnet werden können. Die ertragbaren Spannungsamplituden lassen sich auf andere Werkstoffvolumina, Schwingzahlen und Spannungsverhältnisse übertragen. Diese Zusammenhänge gelten sowohl für ungestörte Gefüge wie auch für etwaige Gefügeungänzen, wie Poren, Dross oder entartete „Graphitkugeln“. So ist es möglich, bei einer nach Fertigstellung eines Gussteils entdeckten Ungänze eine Bewertung der Zulässigkeit von Spannungsamplituden an dieser Stelle vorzunehmen, wodurch die Verwendung der Komponente abgesichert werden kann. Durch diese Untersuchungen ist es möglich, den Werkstoff EN-GJS-400 noch besser in seinen charakteristischen Eigenschaften auszunutzen. Dies gilt sowohl bei der Bemessung von Gussteilen als auch bei der Beurteilung von fertigen Bauteilen.
Im Bild 16 ist eine Fliesenpressen-Konstruktion zu sehen, die nach diesem Dickwandguss-Kriterium ausgelegt wurde.
Der Vorzug der Bemessungsmethode für EN-GJS-400 -15 nach Fraunhofer LBF ist der, dass auch nach dem Fertigstellen eines Gussteils eine Bewertung der Zulässigkeit der Spannungsamplituden an Hand von Schliffbeurteilungen erfolgen kann und so ein großer wirtschaftlicher Vorteil bei sicherem Betriebsverhalten einer Gusskomponente mit Ungänzen erzielt werden kann.
Andere Richtlinien sind für die Bemessung von GJS auch anwendbar, doch bleiben die gutmütigen spezifischen Eigenschaften dieses Werkstoffs unberücksichtigt, was zu einer Überdimensionierung führen kann.
VI. Richtlinie für Windenergieanlagen
Zum Bemessen von Gussteilen in Windenergieanlagen wie zum Beispiel Naben, Wellen, Grundrahmen wurde von der Germanischen Lloyd WindEnergie GmbH eine Richtlinie [32] erarbeitet, nach der komplette Windenergieanlagen in Deutschland zugelassen werden. Die Werkstoffe EN-GJS-400-18U-LT und EN-GJS-350-ULT sind dort spezifiziert. Verknüpft mit der Richtlinie ist ein Leitfaden für die Betriebsfestigkeitsberechnung [33], der die Verwendung von synthetischen Wöhlerlinien erlaubt. Zur Absicherung der S/NKurven werden dem Bauteil entnommene Proben auf ihr zyklisches Verhalten untersucht und in Wöhlerlinien dargestellt. Neuere Untersuchungen zeigen, dass es sinnvoll ist, dehnungsgeregelte Schwingversuche durchzuführen, um den Übergang vom elastischen zum plastischen Anteil der Dehnungsamplitude zu bestimmen. Diese Phänomene werden bei einer neuen Überarbeitung der Richtlinien berücksichtigt werden.
Neu bei der Beurteilung von Komponenten ist die Möglichkeit, mit bruchmechanischen Gesichtspunkten die Betriebsdauer zu bewerten.
Vor dem Hintergrund der Gestaltungsfreiheit in der Anwendung von Gussteilen wird der Bedarf an Bemessungshilfen für Gussteile weltweit ansteigen. Für das Bemessen von Gussteilen stehen heute bereits verschiedene Regeln, Vorschriften und Leitlinien zur Verfügung, die es erlauben, Gussteile entsprechend ihrer Verwendung betriebssicher zu bemessen. Weitere Schritte zur Optimierung von Gussteilen sind die Gestaltung mit Hilfe „Bionik-Software“ und weiterer rechnergestützter Konstruktionshilfen, die es ermöglichen, schneller und genauer Gussteile zu bemessen.
Einsatz der C-Technik zur Gussteilentwicklung
Autoren und Quellen
Autoren:
Dr. Ch. Bartels, DI R. Gerhards, Prof. H. Hanselka, Prof. K. Herfurth, Dr. H. Kaufmann, DI W. Kleinkröger, Dr. M. Lampic, Dr. H. Löblich, Dr. W. Menk, Prof. G. Pusch, Dr. T. Schmidt, DI K.-H. Schütt, DI P. Tölke, Prof. E. P. Warnke