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Die Kenntnis über die Vorgänge während der Erstarrung und Abkühlung von Gussbauteilen nimmt eine zentrale Rolle im Produktentwicklungsprozess ein. Zur Bewertung von prozess-bedingten Bauteilspannungen stehen Simulationswerkzeuge zur Verfügung. Für die Validierung der Ergebnisse sind aber oft nur unzureichende Daten, beispielsweise durch gebräuchliche Ex-situ-Methoden wie dem Freischneiden von Spannungen, vorhanden. Damit lassen sich zwar die simulierten Werte bei Raumtemperatur abgleichen, nicht aber die Vorgänge während des Gieß- oder Wärmebehandlungsprozesses absichern. Zur Spannungsermittlung über die In-situ-Messung elastischer Dehnungen stellt der Stand der Technik Methoden mittels Durchstrahlverfahren bereit. Diese beruhen auf dem Prinzip der Streuung kohärenter Röntgen- oder Neutronenstrahlung an den Gitterebenen kristalliner Mate-rialien. Forschungseinrichtungen stellen hierfür Großanalgen wie Synchrotrone oder Neutro-nenquellen zur Verfügung. Diese sind jedoch nur für Versuche im Labormaßstab geeignet und nicht für Versuche im Gießereiumfeld nutzbar. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird deshalb eine neue Methode zur zerstörungs-freien In-situ-Messung von Dehnungen im Gießprozess vorgeschlagen. Diese sieht das Um-gießen faser-optischer Dehnungssensoren (FBG) vor. Diese sind in der Lage, Dehnungen in-nerhalb von Aluminium-Gussteilen während des Gießens, der Erstarrung und der Abkühlung zu messen. Sie stellen damit Daten aus Bauteilbereichen bereit, die von der zeitlichen oder örtlichen Situation mit konventionellen Verfahren nicht messbar wären. Damit stehen zeit- und temperaturaufgelöste Dehnungsinformationen zur Verfügung, mit welchen sich Gussfeh-ler untersuchen und numerische Berechnungen über den gesamten Prozess validieren lassen. Die Arbeitspakete zur Qualifizierung eingegossener FBG als Dehnungssensoren umfassen Untersuchungen zur Dehnungsübertragung zwischen Aluminium-Gusswerkstoff und Glasfa-ser, zur Kalibrierung der FBG-Dehnungsmessung im Guss und die Absicherung der Messwer-te mit Hilfe zweier akademischer Gießgeometrien. Den Abschluss bildet der Übertrag der ver-standenen Messmethode auf ein seriennahes Bauteil aus der industriellen Fertigung, welches im Kernpaketverfahren gegossen wurde. Der Mehrwert der Forschungsarbeit liegt in einem für die Dehnungsmessung im Guss qualifi-zierten Sensor, der zerstörungsfrei Informationen aus dem Gießprozess liefert. Dies ermöglicht die Berechnung schwindungsbedingter Bauteilspannungen und die Analyse von Erstarrungs-reaktionen sowie die Überwachung des Gießprozesses und der Wärmebehandlung. For the product development process of cast parts, it is crucial to know about the solidifica-tion and cooling mechanisms forming process-related stresses. Therefore, simulation tools are available. However, only insufficient data is given for validating the results, as common ex-situ strain measuring methods like the cut-free method only deliver data at room temperature. Thus, a validation of the data during casting or heat treatment processes is not enabled. That for, state of the art methods such as in-situ measurements of elastic strains by means of transmission methods are provided. These are based on the scattering of coherent X-rays or neutron radiation on the lattice planes of crystalline materials. These methods are provided by large research facilities such as synchrotron radiation facilities or neutron sources, which are, however, only suitable for tests on a laboratory scale and not applicable in the foundry. With this work, a new non-destructive method for in-situ measurements of strains is present-ed. The method incorporates cast-in fibre-optical strain sensors (FBG), which are capable of measuring strains during casting, solidification and cooling of aluminum parts. Thereby, data of several component areas can be obtained, which would not be measurable using conven-tional measuring methods in reference to the temporal or local situation. Due to that, strain information versus time and temperature are available which allows the analysis of cast de-fects as well as the validation of numerical simulations during the whole cast process. This work covers the examination of the strain transmission between cast aluminium and FBG as well as the calibration of FBG-strains using neutron diffraction data. The method is secured by an experimental series including two academic cast geometries. It is completed by an appli-cation of the FBG to an industrial part which is cast into a core package close to production. As a result, the new approach of a cast-in sensors delivers destruction-free internal strain data during casting, solidification and cooling of parts cast in the foundry. The valuable infor-mation obtained by FBG enables the calculation of internal stresses due to shrinkage of the cast part as well as the analysis of solidification mechanisms and the monitoring of cast pro-cesses and thermal treatments. |
