Prediction of Shrinkage Defects During Investment Casting Process

Indianapolis Storm-Water System

하수도 시스템은 액션영화의 도피 루트로 사용되지 않는 한 흥미롭지 않을 것입니다. 폭우로 인해 이산화탄소 수치가 올라갈 때까지 여러분은 그것에 대해 생각조차 하지 않을 것입니다. 불행하게도, 770개 이상의 오래 된 미국 도시들 아래에 있는 하수구 시스템은 심한 폭풍으로 오염 문제를 일으킵니다. 이러한 구형 설계는 하수 및 폭풍 유실을 위한 비용 효율적인 단일 스타일 파이프를 사용했으며 연결된 파이프로 강 및 호수에 하수를 내보냅니다(CSO).

1994년 미국 환경보호청(EPA)은 주로 북동부 및 그레이트 레이크 지역의 관련 지방 자치 단체들에게 CSO관련 문제를 줄이거나 제거하도록 하는 정책을 발표했습니다. (2000년 “Clean Water Act”의 일부로 법률화된 정책). 인디애나 폴리스(Indianapolis)는 가벼운 비 폭풍으로 인해 하수 오물의 백업 및 범람이 발생할 수 있는 도시 중 하나였으므로, 주요 건설 조건에서 2025년까지 문제를 해결하는 것이 필요하였습니다.

인디애나 폴리스는 국제 디자인 회사인 AECOM에 Citizens Energy Group이 건설하고 있는 3개의 깊은 암석 저장 터널 중 첫 번째를 설계할 것을 요청했습니다. 총 25마일인 이 시스템은 대규모 지하 펌프장과 기존의 하수구에서 CSO를 수직으로 떨어뜨리는 연결 구조물을 포함합니다. 첫 번째 터널의 경우, 강우가 가라 앉은 후에 3 개의 커다란 강하 구조물이 CSO를 저장 터널로 전환하여 후속 처리를 수행했습니다.

프로젝트를 해결하기 위해 AECOM은 여러 가능한 낙하 구조물 설계의 동작을 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D를 선택하여, 구축 및 평가 예산이 책정 된 물리적 모델에 대한 재 작업의 필요성을 최소화했습니다. 테스트 결과는 예측 값과 일치하였으므로 재설계가 필요하지 않았습니다. 또한, 이제 AECOM은 유압 설계작업의 첫 번째 단계를 일반적으로 CFD시뮬레이션을 사용합니다.

Large Scale Project on a Tight Delivery Schedule

촉박한 납품 일정에 따른 대규모 프로젝트

20세기에 건설된 하수 처리장은 주거용, 상업용, 환경유출물의 유출로 무엇을 해야 할 것인지에 대한 새로운 인식을 가져다 주었습니다. CSO 방전은 정상적으로 운영되는 동안 처리시설로 직접 이동되며 모든 과정이 양호하게 운영됩니다. 불행하게도, 대규모 폭풍이 발생하는 동안, 발전소들의 초과 용량문제를 피하기 위해 인근 수역으로 과도한 유량을 방출합니다. 이들 배출은 기름과 살충제, 야생동물 배설물에 이르기까지 다양한 오염 물질을 포함합니다.
고무적인 성공의 신호로, 1990 년대에 착공된 새로운 CSO 분리, 저장 및 처리 시설로 오염의 영향에 대해 67 %의 개선을 이루었지만, 여전히 많은 연구가 이루어져야 합니다. 인디애나 폴리스의 경우, 인디애나 폴리스시 공공사업부가 CSO 장기 통제계획을 준비한 2008년에 그러한 노력이 시작되었습니다. 정상적인 처리 공장에서 처리 할 수 있을 때까지 오버플로우가 발생하는 “저장 및 운송”접근법의 핵심은 인디애나 폴리스 터널 저장 시스템 또는 인디애나라고 합니다.

이 시스템의 첫번째 단계는 딥 록 터널 커넥터(DRTC)라고 불리는 1억 8천만달러 가치의 프로젝트입니다. DRTC는 길이 7마일의 18피트 직경의 지하 터널로, 기존의 인디애나 폴리스의 3개의 서버 대 계층 유출 연결의 흐름 경로를 다시 만들 것입니다(그림 1). 목표는 과잉 강우 유출을 기존 하수구와 새 터널 사이의 낙하 구조를 통해 이들 대피소에서 거대한 터널로 안전하게 재배치하고, 폭풍 후 처리를 위해 처리장으로 펌핑 될 수있을 때까지 유지합니다.

Fig. 1. City of Indianapolis Deep Rock Tunnel Connector (DRTC), a “storage and transport” concept being built to handle combined sewage overflow (CSO) during heavy storms. Three vertical drop structures will capture this flow and divert it downwards to 18-foot-diameter storage tunnels running more than 250 feet underground; the tunnels store the CSO until sewage treatment plant capacity becomes available. (Image courtesy Citizens Energy Group)

평균적으로 지표면 아래 250피트 깊이에서, DRTC는 건설과 궁극적인 운영 동안 위의 주변 지역에 대한 혼란을 최소화하도록 설계되었습니다. 그러나 이 프로젝트의 규모와 복잡성은 AECOM의 과제에 긴급성을 더했습니다. 세 장소 각각에 대한 가능한 낙하 구조 설계와 평가, 구조물 설계의 60%를 7개월 이내에 마무리 지었습니다.

이러한 구조물의 목적은 표준 도시 하수 시스템에서 깊은 저장 터널로 하수 흐름을 전달하는 동시에, 효율적 손실( 느린 속도 또는 백업)과 장기적인 도심을 방지하는 것입니다. 각 섹션의 크기와 모양이 유입 흐름의 볼륨 및 속도와 세심하게 일치하지 않을 경우 발생할 수 있는 구조적 손상입니다.
AECOM의 수석 기술 전문가인 라이언 에디슨 컨설턴트는 계약의 스케줄링 요구 사항이 유효성 검사를 위해서는, 단 하나의 모델에만 물리적 건물과 테스트 활동을 제한할 것이라는 것을 알게되었습니다. 다른 주요 건설 프로젝트에 15년간 FLOW-3D 시뮬레이션 소프트웨어를 사용해 왔기 때문에, 난류, 과전압 및 에너지 낭비를 예측하는 능력은 충분하지 않고 디자인 프로젝트에 적합하다고 자신했습니다. 또한 여러 검증(what-if) 시나리오를 실행하기 위한 소프트웨어 옵션을 통해 설계 세부 사항을 다시 실행해야 하는 위험을 최소화할 수 있었습니다. 변경 사항이 적용될 경우 상당한 이점은 여러개의 병렬 시공 트랙이 있는 프로젝트에 있습니다.
시간 제약에도 불구하고, 에디슨은 특히 이 도전에 만족했습니다. 왜냐하면 “CFD로 드롭 구조 설계를 만들고 물리학에서 이것들은 너무 큰 구조이기 때문입니다.”라고 그는 말합니다. 그것들은 CFD는 실제로 사용되지 않는데 보통 물리적 모델이나 손으로 계산하는 것으로 이루어집니다.

DRTC 프로젝트를 위해서, 그는 먼저 시뮬레이션된 작동 조건에 대해서 컴퓨터 설계를 테스트할 것입니다. 에디슨은 3차원의 일시적이고 격동적인 흐름 조건을 모델링 할 수 있는 소프트웨어 패키지인 FLOW-3D를 사용했습니다. 각 설계에 대한 계산 메쉬를 변경하지 않고도 여러 설계 지오 메트리를 모델링 할 수 있는 기능이였습니다.
시뮬레이션 데이터로 무장한 에디슨은 그 결과를 아이오와 대학교 II. 시설에서 시험한 1:10 크기의 물리적 모델의 작동 데이터와 비교하였습니다. (후자는 원래 아이오와 유압 연구소라고 불렸지만, 지금은 그룹의 다양한 범위를 반영하여 IIHR-Hydroscience & Engineering으로 알려져 있습니다.)

Zeroing in on the Drop-Structure Challenge

드롭 구조 과제에서 영점 조정

가장 제한적인 DRTC 사이트의 지오 메트리는 CSO 008로 지정된 레귤레이터에서 발생합니다. 기존 CSO 레귤레이터(기울기 약 75피트 아래)를 새 18피트 직경의 수집 터널과 연결하려면, 이 위치에서 150피트 이상의 수직 방향 주행이 필요합니다. 각 낙하 구조에 7백만달러 이상이 소요되는 경우, 프로젝트 관리자들은 물리적 모델이 구축된 후 비용과 시간이 많이 소요되는 재설계가 필요한 가능성을 낮추려고 애썼습니다.

역사적으로 낙하 구조는 이전 프로젝트를 적용하여 설계된 후 축소 모델로 구축되었으며, 테스트만으로도 6개월 이상이 소요될 수 있습니다. 가속화된 이 프로젝트에서, 2009년 가을에 시작한 AECOM의 초기 과제는 두가지 표준 개념 중에서 하나를 선택하는 것이었습니다. 포장-파운드 스타일과 접선 vortex버전, 둘 다 시속 35마일의 폭풍이 몰아치는 물 속에서 속도를 늦추고 통제하기 위해서 직접 계산 및 FLOW-3D에서 결정한 일반 구조 직경 및 구성 요소 크기를 사용한 초기 CFD분석으로, AECOM은 시공 가능성 및 비용 고려 사항을 평가하는 데 사용했습니다.
CSO 008의 현장 요구 사항과 비용 효율성을 고려할 때, 시 당국과 AECOM은 접선 소용돌이 낙하 구조를 선택했습니다. 이 설계의 핵심 요소는 흐름을 먼저 환상적인 제트로 유도한 다음, vortex 유도 나선형 흐름을 생성하는 테이퍼(확대) 접근 채널에 의해 공급되는 수직 튜브(드롭 샤프트)입니다. 이 통제 된 하강은 속도가 느려지고 하루 3 억 갤런 (mgd) 이상에 이르는 흐름을 안전하게 처리합니다. 스토리지 터널의 파괴적인 난류를 방지하는 것이 핵심 목표이므로 드롭 샤프트 흐름의 사전 차단이 설계의 핵심입니다.

구조 자체는 6 개의 주요 부분으로 구성됩니다. 1) 접근 채널 (기존의 하수 터널에서 나온 것), 2) 수평 흐름을 넓히고 수직 드롭 샤프트로 수평 흐름을 전달하는 직사각형 전이 테이퍼 채널, 3) 드롭 샤프트 자체 4) 탈 기실 (유량을 수평 방향으로 방향을 바꾸고 공기 유입을 감소시키는), 5) 수직 공기 배출구를 통해 낙하에서 유입 된 공기를 제거하고 적하 유체의 공기 코어가 열려 있고 6) 탈기 챔버와 저장 터널 챔버를 연결하는 파이프 (adit) (그림 2).

Fig. 2. CAD diagram of proposed Indianapolis DRTC combined sewage overflow (CSO) vertical drop structure, showing approach channel, taper channel and vortex dropshaft. Using FLOW-3D CFD analysis software, AECOM simulated the flow behavior, gaining confidence in the system performance prior to physical model testing. (Image courtesy AECOM)
Prediction of Shrinkage Defects During Investment Casting Process

This article was contributed by Dr. S. Savithri, Senior Principal Scientist at CSIR-NIIST

인베스트먼트 주조공정은 가장 오래된 주조 공정 중 하나로 기원전 4000년 이후에 보편화되었습니다. 이 과정은 용해된 금속을 소모품패턴으로 생성된 세라믹 쉘에 주입하는 과정을 수반합니다. 일찍이 그것은 금, 은, 구리와 청동 합금으로 장신구와 우상을 만드는데 사용되었습니다.

인베스트먼트 주조공정은 1897년 아이오와 주, 위원회 블러프스의 Barabas Frederick Philbrook이 묘사한 대로 치과의사들이 왕관과 인레이를 만들기 위해 그것을 사용하기 시작한 19세기 말 현대 산업공정으로 사용되기 시작했다. 1940년대에는 제2차 세계대전 당시 기존 방법으로는 형성될 수 없거나 지나치게 많은 가공이 필요한 특수 합금의 정밀 순모형 제조 기술에 대한 수요로 인해 투자 주조 공정이 증가하였다.

오늘날 투자 주조 공정은 표면 마감 및 치수 정확도가 우수하여 거의 순 형태에 가까운 철, 비철 및 초합금의 소형 산업용 부품을 생산하는데 주로 사용됩니다.

인베스트먼트 주조 공정은 다음 네 가지 주요 단계로 구성됩니다.

왁스 패턴 생성 후, 패턴 클러스터를 만들기 위해 게이트 시스템으로 청소 및 조립합니다.
나무는 세라믹 쉘을 얻기 위해 미세 모래와 Course한 모래 입자의 슬러리로 번갈아 코팅됩니다.
용기는 건조되고, 왁스를 녹이기 위해 가열되며, 강도를 높이고 주입 준비합니다.
마침내 주조 합금이 용해되어 예열된 쉘에 주입됩니다. 응고 후에 쉘이 파손되어 주조 부품을 얻습니다.

Figure 1. Solid model of the casting geometry

인베스트먼트 주조 공정에서 얻은 부품은 많은 중요한 용도에 사용되므로 내부적인 결함이 없어야 합니다. 투자 주조 공정에서 발생하는 주요 결함은 세라믹 포함, 균열, 변형, 플래시, 주탕불량, 수축, 슬래그 포함, 탕경계등입니다. 얻은 주조물의 품질을 예측하려면 금속-몰드 열 전달계수, 주입 온도 등 다양한 주조 공정 매개 변수의 영향을 연구해야 합니다. 즉, 쉘 두께 및 쉘 열 전달계수가 그것입니다. 현대 컴퓨터 시스템 및 시뮬레이션 소프트웨어의 출현과 함께 금형 충진 및 응고 시뮬레이션은 주조공장에서 결함을 예측하고 설계를 최적화하는데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

이 연구의 주요 목적은 투자 주조 공정에서 주요 요소인 복사 열 전달과 인베스트먼트 주조공정에 고유한 쉘 금형이 FLOW-3D에서 효과적으로 구현될 수 있는지를 조사하는 것입니다. FLOW-3D를 사용하여 간단한 형상을 위한 인베스트먼트 주조공정의 주입 및 응고 시뮬레이션을 수행함으로써 두 구성요소의 서로 다른 효과를 조사합니다. 다양한 위치에서 얻은 온도의 수치는 문헌 [1]에보고 된 실험 결과로 검증됩니다. 복사 열 전달계수, 쉘 몰드 두께, 탕구 및 게이트의 위치에 대한 영향도 조사했습니다.

Figure 2. Shell mold

Methodology

현재 연구에서 사용된 계산 형상은 그림 1에 나와 있습니다. 쉘 몰드는 다음 단계를 사용하여 작성되었습니다.

구성 요소 1로 형상을 FLOW-3D로 가져오고 지정된 셀 크기로 가져온 형상을 중심으로 메쉬 블록을 작성합니다.
“보완”유형의 component1의 첫 번째 하위 구성 요소를 만들어 하위 구성 요소 외부의 모든 항목을 메쉬의 범위까지 확고하게 만듭니다.
솔리드 데이터베이스에서 이 솔리드 블록의 금형 재질 특성을 정의하십시오.
솔리드 특성 GUI의 구성 요소 특성에서 “열 침투 깊이”를 정의하는 옵션이 있습니다. 여기서 쉘 두께 값을 정의 할 수 있습니다.
이제 전처리기를 실행하십시오.
분석 탭> 3D 탭으로 이동 한 다음 이전 단계에서 생성 한 prpgrf 파일을 엽니다. ‘Iso-surface’와 ‘color variable’에서 “열 활성화 구성 요소 볼륨”을 선택하고 “렌더링”을 선택하십시오.
Display에 이제 형상의 셸 부분 만 표시됩니다.
개체 목록 (창의 왼쪽 하단)에서 “구성 요소 1″을 선택하고 “구성 요소 1″을 마우스 오른쪽 단추로 클릭 한 다음 “stl로 내보내기”를 선택하여 이 곡면을 STL 파일로 저장하십시오.

Figure 3. The view of the two mesh blocks for the creation of a void with discretization

쉘 몰드 용 STL 파일을 만든 후 파일을 구성 요소 1로 새 시뮬레이션으로 가져오고 이전에 작성한 주조 형상을 하위 구성 요소로 가져오고 유형을 ‘hole’으로 선택합니다. 쉘 몰드와 함께 주조 형상이 그림 2에 나와 있습니다. 이것은 우리의 계산 영역으로 사용됩니다. 다음은 계산 영역을 cubical/rectangular셀로 분할하기 위한 메쉬를 만드는 것입니다. 메쉬 블록을 작성하여 FLOW-3D에서 메쉬를 생성합니다. 현재의 작업을 위해 우리는 2.5mm의 고정된 셀 크기가 선택된 그림 3에 표시된 균일한 메쉬 옵션을 선택했습니다. 입력 위치 주변에 메시 블록 2가 사용되는 현재 시뮬레이션을 위해 메시 블록 2개가 생성되었습니다. 쉘과 주변 공기 사이의 30°C에서의 열 전달을 고려하여 쉘 주위에 보이드 영역이 정의됩니다. 이 영역은 ‘열 전달 유형 1’이 있는 보이드 영역으로 선택되며 셸과 주변 공기 사이에 열 전달 계수 값이 지정됩니다. 열 전달 유형 1은 방사선을 포함한 종합 열 전달 계수가 됩니다.

쉘 주형에 선택된 재료는 zircon이며 열 특성은 Sabau and Vishwanathan에 의해 수행된 실험에서 얻을 수 있습니다[2]. 표 1은 연구에 사용된 재료에 대해 지정된 값을 보여 줍니다.

MATERIAL	PROPERTY	VALUE	UNIT
Fluid –AluminiumA356 alloy	Density	2437	kg/m³
	Thermal conductivity	116.8	W/(mK)
	Specific heat	1074	J/(kgK)
	Latent heat	433.22	kJ/m³
	Liquidus temperature	608	°C
	Solidus temperature	552.4	°C
Zircon Mold	Thermal conductivity	1.09	W/(mK)
	Specific heat* Density	1.63E+06	J/( m³K)

Initial and boundary conditions used are show in Table 2.

Mold temperature	430°C
Melt pouring temperature	680°C
Filling time	7 s
Interface heat transfer coefficient	850 W/m²K
Heat transfer coefficient between ambient and mold (radiation effect)	30 -100 W/m²K

Table 2. Initial and boundary conditions used for the simulation

탕구저에 들어가는 용융물의 초기 속도와 온도는 메시 블록 2의 상단 경계에서 속도 경계 조건으로 주어집니다. 기본적으로 다른 모든 경계는 대칭 유형으로 설정됩니다.

Results & Discussion

Validation with reported experimental results

충전 및 응고 동안 냉각 곡선을 얻기 위한 실험에서 Sabuet.al[1]에 의해 선택된 네 개의 위치가 검증 목적으로 사용되었습니다. 그들은 C1, C2, S11, S12및 S21로 언급됩니다. C1과 C2지점은 주물의 플레이트의 중심에 있으며 S11, S12및 S21은 모두 쉘에 위치합니다. 이러한 위치에서의 온도 변화는 그림 4와 같습니다.

온도 프로파일의 수치 및 실험결과의 차이가 허용한계 안에 있음을 알 수 있습니다. 프로브 포인트 C1과 C2의 경우, 수치와 실험 결과 사이의 차이는 응고 중에 5%, 응고 후 냉각 시 12% 이내입니다. 쉘의 점에 대한 수치 결과는 실험 결과보다 약 5% 높습니다. 이는 쉘 재료에 열 물리학적 특성을 할당할 때 발생하는 가정과 쉘 열 전달 계수의 값 때문일 수 있습니다.

Fill sequence & solidification pattern for two different sprue locations

두 가지 다른 스프 루 위치의 채우기 순서 및 응고 패턴

2 개의 상이한 탕구 위치에 주물충전 순서는5a 및5b에 나와 있습니다. 최종 탕구가 더 많은 스플라인을 생성하므로 결함으로 이어질 수 있습니다. 탕구가 중간에 놓여지면 흐름은 보다 균일 해지고 두 주조 단면에서 비슷한 온도 분포를 보입니다. 50 % 응고 후의 온도 프로파일의 2D 도면은 두 경우 모두 그림 5c 및 5d에 나와 있습니다. 수축 위치에서 볼 때 두 탕구 위치가 결함을 일으키는 것은 분명합니다.

Figure 5a. Fill sequence at different time intervals when the sprue is located at one end

Figure 5b. Fill sequence at different time intervals when the sprue is located in the middle

Figure 5c. 2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located at one end

Figure 5d. 2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located in the middle

Effect of shell thickness

인베스트먼트 주조에 대한 쉘 두께의 효과를 연구하기 위해 두께가 7.2, 10, 15 및 20 mm인 주물을 선정하였습니다. 그림 6a 및 6b는 주조품의 특정 위치에서 냉각 곡선을 나타내며, 이는 C1으로 나타내고 쉘 몰드 내의 특정 위치에 있으며, 응고 중에 S11로 나타납니다. 세라믹 쉘의 두께가 7.2 mm에서 15 mm로 증가하면 냉각 속도가 감소하여 응고 시간이 길어지는 것을 볼 수 있습니다.

Effect of shell heat transfer coefficient

셸 열 전달 계수는 열이 셸 금형의 외부 벽에서 방사선을 통해 주변 공기로 열을 방출하는 속도를 나타냅니다. 이 효과를 조사하기 위해 열 전달 계수의 값을 20에서 80W/m²K까지 다양하게 했습니다. 7a 및 7b로부터, h의 변화는 주조 재료 및 쉘의 냉각 속도에 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 열 전달 계수가 20에서 80W/m²K로 증가하면 C1에서의 응고 시간이 812 초에서 334 초 (약 44 %)로 감소되었음을 알 수 있습니다. 따라서, h의 값을 변화시키는 것은 주물의 미세 구조에 영향을 미칩니다.

Figure 6a. Temperature profile at location C1 (casting) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various shell thickness values

Figure 6b. Temperature profile at location S11 (shell) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various shell thickness values

Figure 7a. Temperature profile at location C1 (casting) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various heat transfer coefficient values between the shell mold & ambient

Figure 7b. Temperature profile at location S11 (shell) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various heat transfer coefficient values between the shell mold & ambient

Conclusions

인베스트먼트 주조 공정의 몰드 충진 및 응고 시뮬레이션은 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다. 주조 공정에 대한 주조 매개변수의 영향을 연구하기 위해 파라메트릭 연구가 수행되었습니다. 본 연구에서 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있습니다.

FLOW-3D는 멀티 캐비티 몰드의 주입 및 응고 모델링이 가능합니다. 프로브 위치의 예측 온도 프로파일은 실험 데이터의 허용오차 이내였다.
쉘 두께의 경우, 두 경우 모두 셸의 임계 두께가 있으며, 그 이상으로 열 전달 특성이 역행하는 것으로 확인되었습니다. 셸 두께가 증가함에 따라 응고 시간이 임계 두께까지 증가하여 감소하기 시작했습니다. 원래 형상의 경우 임계 두께는 15~20mm인 반면 수정된 형상의 경우 10mm와 15mm 사이에 있다.
쉘과 대기 사이의 열 전달 계수 h는 열 전달 특성에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. h가 20에서 80W/m²K로 4 배 증가할 때 탕구의 중심에서 응고 시간이 40 % 이상 감소했습니다.

References

Sabau, A.S., Numerical Simulation of the Investment Casting Process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 113, Paper No. 05-160, 2005.

Sabau, A.S., and Viswanathan, S., Thermophysical Properties of Zircon and Fused Silica-based Shells used in the Investment Casting Process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 112, Paper No. 04-081, 2004.

Design and CFD Analysis

설계 및 CFD분석

일반적인 소용돌이 설계는 널리 받아들여지고 있지만, 각 낙하 구조는 최적의 접선 흐름 특성을 보장하기 위해 인디애나 폴리스의 위상에 맞는 적절한 크기를 가져야 했습니다. 특히, 가능한 설계에 대한 AECOM의 계획은 세가지 목표를 가지고 있었습니다. 결합된 접근법과 테이퍼 채널을 짧은 길이로 제한하는 현장, 고유의 제약이 있었는지를 결정합니다. 허용 가능하지만 접근 방식에서 과도한 난류 조건이 발생하지 않았습니다. 테이퍼 채널에 안정적인 흐름 조건이 존재하는지 확인하고 다양한 흐름 조건에서 흐름 안정성을 평가했고, 논리적 기준점은 밀워키 인라인 스토리지 프로젝트라고 불리는 잘 알려지고 문서화된 시스템이었습니다.

Edison은 DRTC 프로젝트 규모에 맞춰 H-4로 지정된 Milwaukee 드롭 구조 설계를 기반으로 초기 설계를 기반으로했습니다.
166 피트의 기본 낙하 길이를 포함하고 체적 유량, 벽, 대칭 및 기타 초기 매개 변수를 지정하는 FLOW-3D 분석을 설정합니다.
그는 우리가 CFD를 통해 발견한 것은 밀워키에서 이 디자인을 사용하면 우리의 어플리케이션에 잘 맞지 않는다는 것이라고 말합니다. FLOW-3D는 이것을 보여 주고 있었기 때문에 CFD를 사용하여 변형을 시도하고 우리의 수정된 디자인을 고안했습니다.
더 넓은 접근 경로, 더 넓은 테이퍼 및/또는 더 깊은 테이퍼 깊이를 사용한 수정은 에디슨은 FLOW-3D에서 각 변동 사항을 설정하는 것이 매우 빠르다고 말합니다. (그림 3,4,5). 개선의 진전은 고무적이었습니다. 시뮬레이션 결과의 높은 수준은 심지어 절삭(침식)을 개선하기 위해 드롭 축의 바닥에 의문스러운 플레이트가 수직 흐름이 수평으로 전환되는 난류 분리 및 감소가되도록 기능을 추가하도록 설득했습니다.

Figs. 3, 4 and 5. Tangential drop structure flow simulated with FLOW-3D. Structure dimensions were optimized through multiple design iterations. (Image courtesy AECOM)

9번째 설계 변동에 대한 FLOW-3D 출력 동작인 V9는 접근 섹션을 확장했으며, 모든 흐름 볼륨 레벨에서 300mg/d까지 양호한 흐름 안정성을 보였으며 유압식 점프는 없었습니다. 그리고 양호한 Froude numners(유체 움직임에 미치는 중력의 영향을 나타내기 위해 사용되는 치수 없는 수량), 2010년 2월부터 AECOM이 물리적 시험과 검증을 위해 선택하였습니다(그림 6). 그 계획은 아이오와 연구소의 시험 결과에 기초하여 CFD와 최적화를 추가하는 것이였습니다.

Fig. 6. Scale model (1:10) of vertical drop structure, tested at University of Iowa IIHR Hydroscience & Engineering facility. (Image courtesy AECOM)

에디슨은 V9에서 결정된 치수 매개 변수에 대해 그 디자인을 아이오와 주에 가져가서 CFD를 이용해 만들었는데 완벽하게 작동했습니다. (II.)직원들은 실제로 무언가를 설치한 것은 이번이 처음이며, 변경하라고 말할 만한 것이 아무것도 없다고 말했습니다. 측정된 데이터는 드롭 샤프트 연결 구조 내의 수면 높이, Adit내 공기 침투의 정량, 벤트 샤프트 위로 공기 흐름을 포함했습니다. 흐름이 증가함에 따라 와류량이 증가함에 따라 축 벽에 부착되어 탈산소까지 원활하게 회전하는 모습이 포착되었습니다(그림 7).

에디슨은 후속 실험을 위해 여러번 시험장을 돌아다녔습니다. 물리적 모델이 처음부터 올바르게 작동했기 때문에 시험 프로그램을 확장할 시간이 있었습니다. “재미 있는 것은 환기구를 움직이는 것과 같이 우리가 궁금했던 것들을 탐구해서 지적으로 그것을 가지고 놀 시간이 있었다는 것입니다.” 에디슨은 예정보다 앞서 있었기 때문에 잔여 프로젝트 시간을 이용해 탈염소와 adit 내의 유압 장치를 조사할 수 있었습니다.

Fig. 7. Operation of scale-model vertical drop structure, showing test run of 300 million gallons per day (mgd). Flow vortex development shows good rotation and attachment to the shaft wall all the way down to the de-aeration chamber. No design modifications were necessary to the simulated design. (Image courtesy AECOM)

Final Results

AECOM은 2010년 7월 DRTC에 대한 전반적인 작업을 마쳤습니다. 2013년 3월부터 18구경 터널을 굴착하기 시작했고, CSO드롭 구조 3개(CFD로 설계된 나머지 2개의 구조물만 있음)는 모두 현재 공사 중입니다.

에디슨의 의견으로는, 토목 공학은 전체적으로 CFD를 채택하는 데 느린 편이었습니다. 이를 입증하기 위해 그는 인천 국제 공항을 처음 방문한 당시 접선 소용돌이 모형의 소위 “묘지”에서 본것을 기술했습니다. 그러나 그는 이들을 다시 처리해야 했다고 말했습니다. 그는 유압 설계를 위한 시뮬레이션 사용으로 판매되는 것을 권장하고 있습니다.

에디슨은 DRTC노력을 요약하면서 “정말 재미 있었습니다. 물리적 모델링이 필요한 위치에 대해 더 자세히 알아보았고, 그렇다면 어떤 경우에는 순수한 RAID기반 설계를 수행할 수 있습니다. 많은 DRTC작업들이 그것의 증거입니다. 물리적 모델은 실제로 필요하지 않았지만 검증을 통해 위험을 줄일 수 있었습니다. 프로젝트에서 이 두가지를 모두 수행할 수 있었다는 것은 믿을 수 없는 일입니다.”라고 말했습니다.

This article first appeared in WaterWorld Magazine.

Detecting Porosity with the Core Gas Model

Detecting Porosity with the Core Gas Model

Producing High Quality Castings

Results options such as core gas flux, binder weight fraction and out-gassing rate can be analyzed using the core gas model

주조공장의 첫 번째 시험에서 주조 품질을 보장하기 위해 많은 선행 엔지니어링을 수행해야 합니다. 최근에는 금속 흐름, 응고, 미세 구조 진화 및 잔류 응력을 모델링하기 위한 수치 도구가 보편화되었습니다. 그러나 아직 완전히 다루어지지 않은 주조 결함 중 하나는 일반적인 코어 가스 불량 결함입니다. 이 문제의 물리학은 금속, 코어 및 바인더 사이의 복잡한 상호 작용을 포함합니다. 이를 해결하지 않으면 고철 수준이 높아질 수 있습니다. 대부분의 문제는 고온의 주입 온도를 사용하고 영향을 받는 영역에 벽체를 추가하여 문제를 관리하지만 완전히 해결할 수는 없습니다.

Designing the Optimum Break-Down

과거에는 재료 및 주조 엔지니어가 코어 가스 버블로 인해 다공성 결함 문제를 발견했을 경우 바인더 함량을 줄이거나 코어 환기량을 늘리거나 코어 환기 시간을 늘리거나 코어를 미리 굽거나 하는 등 일련의 표준 문제를 해결할 수 있었습니다. 가스가 따라가는 경로를 보는 것은 불가능했기 때문에 이것은 한 부분을 완성하는 데 수주가 걸리는 긴 인출 과정이었습니다. 그리고 다른 부분에 문제가 있을 때마다 반복해야 했습니다.

이 가공 일정을 단축해야 하는 시장 중심의 필요성 때문에 주조 시뮬레이션 소프트웨어가 개발되었습니다. 설계 및 제조에 모두 유용한 컴퓨터 기반 모델링을 통해 엔지니어는 실제 비용을 낭비 없이 다양한 접근 방식을 테스트 할 수 있습니다. 주조 공장이 환기 설계에 시뮬레이션을 적용 할 수 있도록 Flow Science는 주조 해석 기능에 핵심 가스 모델을 추가했습니다.

GM engine block water jacket, showing binder weight fraction

Applying CFD Methods to Core Gas Flow

수지 기반 바인더의 화학적 복잡성으로 인해 샌드 코어 열 차단 후 가스가 어디서 어떻게 흐르는 지 이해하는 것은 복잡합니다. 그러나 Flow Science는 여러 그룹과 협력하여 실험 데이터를 얻고 이를 수치 모델의 결과와 비교합니다. 이 회사는 General Motors, Graham-White Manufacturing 및 AlchemCast의 핵심 가스 유량 정보를 수집하여 알루미늄, 철 및 강철과 함께 사용되는 모래 수지 코어에 대한 실제 데이터를 얻었습니다.

GM Powertrain의 캐스팅 분석 엔지니어 인 David Goettsch 박사는 금속 주조물의 충진 및 응고 분석을 위해 15 년 동안 FLOW-3D를 사용했습니다. 새로운 코어 가스 모델은 설계 단계에서 자켓 코어 배출을 최적화하는 데 매우 유용합니다. 모든 요구 사항이 핵심 인화물에 있는 코어 박스에 vent tracks를 구현하기는 매우 어렵습니다. “핵심 가스 배출에 대한 선행 분석 작업을 통해 시동 시 높은 스크랩률로 부터 벗어날 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다. “아마도 프로세스 변경으로 문제가 해결 될 수 있습니다. 그러나 그 시점에 도달하려면 오랜 테스트 기간이 필요할 수 있습니다. “

현재 FLOW-3D에서 사용할 수 있는 코어 가스 모델을 통해 Goettsch는 다양한 삽입 및 배출 위치를 시도하고 글로벌 진단을 받을 수 있습니다. 가스가 얼마나 많이 발생하는지, 어디로 가는지, 금속 프런트가 따라 잡기 전에 얼마만큼 빠져 나오는지 확인하십시오.

Multi-Core Challenges

Core prints for casting with internal geometries

GM Powertrain jacket slab assembly

또 다른 노련한 주조공장 엔지니어인 Graham-White Manufacturing Co.의 Elizabeth Ryder는 가스 다공성은 항상 조사하기가 어려웠다고 주장했다. 그녀는 “특히 다중 코어의 경우, 어떤 코어가 문제의 원인인지 정확하게 찾아 내기가 어려웠으며 전체적인 시스템을 처리 하려고 했습니다. “

1700개의 부품으로 구성된 지속적인 생산으로, 그 중 일부는 연간 10,000개의 부품으로 구성되었으며, Graham-White는 시뮬레이션을 통해 제조 공정을 개선하는 데 매우 익숙했습니다.

Graham-White는 레이저 스캐닝으로 제작한 회주철 부품(약 3 x 4in)의 3D 모델로 작업하면서 평가를 위해 현재 vent 디자인을 제공했습니다. 이 탕구 디자인은 수평으로 분할된 금형에서 패턴 플레이트당 4개의 인상이 포함되었으며, 각 인상은 각 코어에 대한 vent가 있습니다. 중앙 sprue는 2 초 이내에 각각의 몰드를 충진할 수 있게 해주었습니다.

FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션은 주입률을 확인시켜 주었지만, 또한 한 코어의 배출량이 충분하지 않다는 것을 보여주었다. Graham-White는 기존 분출구를 통해 가스를 더 많이 공급할 수 있도록 코어에 깊은 구멍을 뚫기 시작했습니다. 새로운 vent 디자인으로 전환한 이후, 회사는 코어 블로우 스크랩을 약 30% 감소 시켰습니다.

Ryder는 FLOW-3D 결과가 디자인 초점을 결정하는데 도움을 주었고, 어떤 코어 (멀티 코어 디자인)가 문제였는지, 코어의 어느 부분이 문제의 근원인지에 대해 파악할 수 있었습니다.

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냉각 및 공급 시스템 설계 / Cooling and Feeding System Design

캐비티 또는 다공성 결함은 일반적으로 마지막 냉각 지점에서 발생됩니다. 라이저는 일반적으로 주조물이 응고 될 때 용융 금속을 주물에 제공하여 이러한 결함을 방지하는 데 사용됩니다. 그러나 라이저(risers)가 효과적이려면 수축을 보상하기에 충분한 재료를 포함 할 수 있도록 적절한 크기로 올바른 위치에 배치해야합니다. FLOW-3D에서 캐스터가 결함이 없는 주물을 위한 냉각 및 공급 시스템을 설계할 수 있도록 도와 주는 두가지 새로운 도구가 개발되었습니다. 즉, 마지막으로 동결할 장소의 예측과 열 계수의 계산입니다.

마지막으로 냉각할 위치 / Last Places to Freeze

주조물 내에서 마지막으로 냉각되고 수축 다공성 결함이 발생할 가능성이 높은 직접 표시 위치. 이러한 장소들은 고체 부분의 진행이나 응고 시간으로부터 파생될 수 있지만, 그것들을 시각화하는 좀 더 직접적인 방법이 항상 선호된다.

그림 2. 핫스팟 입자를 포함하는 액체 부피의 진행 예시 : t3> t2> t1. — 그림 1. 핫스팟 입자는 바로 이웃이 고체가 된 후 응고 될 때 셀의 중앙에 삽입됩니다.그림 2. 핫스팟 입자를 포함하는 액체 부피의 진화 예시 : t3> t2> t1.

Hot spot particle — 그림 1. 핫스팟 입자는 바로 이웃이 고체가 된 후 응고 될 때 셀의 중앙에 삽입됩니다.그림 2. 핫스팟 입자를 포함하는 액체 부피의 진화 예시 : t3> t2> t1.

특수한 유형의 고정 입자가 “핫 스폿”이라고 하는 가장 최근의 자유로운 위치를 식별하고 시각화하는 데 사용됩니다. 이 출력은 응고 모델이 사용될 때 자동으로 생성됩니다. 핫 스폿 입자는 그림 1에서 도해로 나타난 것처럼 모든 인접 요소가 고체가 된 후 응고될 때 셀에 삽입됩니다.

이러한 입자는 자유로운 마지막 위치를 식별하는것 외에도 이러한 위치에서 수축 다공성 결함의 가능성과 크기, 즉 셀 응고 시간, 핫 스폿 ID및 핫 스폿 크기를 결정하는 데 사용할 수 있는 다른 속성을 가지고 있습니다. 셀 응고 시간은 셀 이 응고되는 시간입니다. 핫 스폿 ID는 핫 스폿이 응고되는 순서를 보여 줍니다(1은 첫번째, 2는 두번째 등). 마지막으로, 핫 스폿 크기는 다음 등식으로 계산된다.

hsm (i) 는 입자 i의 핫스팟 크기입니다 .
t ₀ 은 입자의 위치에서 셀 응고 시간입니다.
ν _liq (t) 는 시간 t 에

그림 2는 연결된 액체 영역 부피가 입자 i 의 시간 함수로 어떻게 변하는 지 보여줍니다 . 계산 된 양은 모든 핫스팟 크기의 값을 0과 1 사이의 범위로 가져 오도록 정규화됩니다. 이는 다공성 형성에 대한 잠재적 인 영향과 관련하여 주조 내 여러 핫스팟의 간단한 비교 분석을 허용합니다. 값이 높을수록 응고 중에 연결된 액체 영역이 더 커졌으며 마지막 동결 위치에서 수축 다공성 결함이있을 가능성이 더 큽니다.

열 모듈러스 방법 / The Thermal Modulus Method

열 계수 법은 특히 알루미늄 합금 및 강철 주조물의 경우 일반적인 라이저 설계에 가장 많이 사용되는 방법 중 하나입니다. 주어진 주물 부품의 경우 그 계수는 다음과 같이 정의됩니다.

, 여기서:

V는 주조 부품의 체적이고,

A은(는)주물 부품의 표면적입니다.

주물의 기하학적 계수는 구 또는 블록과 같은 일반적인 형상에 대해 계산하기 쉽습니다. 이보다 더 복잡한 작업에는 일반적인 모양에 따라 주조 섹션을 지루하게 근사치를 계산해야 합니다. 또한 기하학적 계수 접근 방식은 주물의 기하학적 구조에 전적으로 의존합니다. 실제 주조물은 한기 및 절연체를 사용하여 응고 진행을 제어합니다. 이러한 특성은 기하학적 계수 접근 방식에서 무시된다. 계수 계산을 자동화하고 냉각, 단열 및 기타 몰드 변화와 관련된 열 효과를 고려하기 위해 라이저 설계에 흔히 열 계수라는 혁신적인 접근 방식이 사용됩니다.

열 계수 접근 방식의 경우 먼저 주물의 응고 시뮬레이션을 실행합니다. 시뮬레이션이 완료되면, Chvorinov의 규칙에 따른 응고 시간으로부터 주물 전체에 해당하는 계수를 계산할 수 있습니다. 이 방법을 사용하여 계산된 등가 계수를 열 계수라고 합니다. 라이저 설계를 안내하기 위해 기하학적 계수와 동일한 방법으로 사용할 수 있다.

Chvorinov의 규칙은 응고 시간 사이의 관계를 제공하며, 그 계수는 다음과 같이 기록될 수 있다.

, 여기서:

t는 주조 응고 시간입니다.
N은 상수(일반적으로 2와 같음)입니다.
B는 금형의 상수입니다. 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

, 여기서:

_mρρ는 금속의 밀도이고,
_mT는 금속의 용해 또는 동결 온도입니다.
₀TT는 금형의 초기 온도입니다.
k는 주형의 열 전도율입니다.
ρ는 주형의 밀도입니다.
c는 곰팡이의 특정한 열이다.
L은 금속의 융해열이다.
_mcc는 금속의 특정한 열이며,
_pourTT는 금속 주입 온도이다.

일반적으로 주조 공정을 설계할 때 라이저의 응고 시간이 인접한 주조 섹션의 응고 시간보다 긴 방식으로 라이저를 선택하여 적절한 이송을 할 수 있습니다. Chvorinov의 규칙에 따르면 응고 시간은 주물의 계수에 정비례합니다. 따라서 응고 시간을 비교할 때 모듈을 직접 비교할 수 있습니다. 모듈은 기하학적인 양에 불과하기 때문에 모듈의 비교는 설계 작업을 훨씬 더 단순하게 만든다. 금속 주조 엔지니어는 실제 주조 공정의 구체적인 내용을 고려하지 않고도 보다 큰 계수로 압탕을 설계하여 부품을 적절하게 이송할 수 있습니다.

냉방 및 공급 시스템 설계를 위한 새로운 도구의 적용

예를 들어, 새로운 공구를 사용하는 증기 터빈 실린더의 절반에 대한 중력 주조를 위한 냉각 및 공급 시스템 설계가 유량 과학 중국에 의해 제공되고 이 절에서 논의된다. 부품의 외부 치수는 2.83×2.34×1.10 m이며, 총 용적은 아래와 같이 약 0.95입방 미터이다. 주조 재료는 탄소강이며 주입 온도는 1530°C이다.

Casting part geometry — 그림 3. 주물 부품 지오 메트리

첫째, 냉각 장치와 라이저가 없는 주물의 응고 시뮬레이션을 실행합니다. 그 목적은 뜨거운 스폿 위치를 식별하고 한기와 라이저의 위치와 라이저의 크기를 결정하는 것이다. 이 두가지 새로운 공구는 냉기와 라이저 설계를 개선하는데 사용됩니다.

마지막으로 입자를 동결하는 장소는 셀 응고 시간, 입자 ID및 핫 스폿 크기로 각각 색상이 지정된 다음 그림에 표시됩니다. 핫 스폿 위치와 수축 다공성 결함이 발생할 가능성은 이러한 그림에서 직접 확인할 수 있습니다. 주조물의 기하학적 특성에 따라 라이저 배치 위치는 그림. 4의 마지막 프레임에서 볼 수 있듯이 쉽게 결정할 수 있습니다. 단, 바닥 껍질에는 라이저 배치에 적합하지 않은 몇개의 핫 스폿이 있습니다. 이러한 위치에서 수축 다공성 결함을 방지하기 위해 한기를 사용하여 응고 패턴을 변경하고 라이저 영역에 마지막으로 동결하는 위치를 구동할 수 있습니다.

Hot spot locations — 그림 4. 핫 스폿 위치는 세가지 속성(왼쪽 위에서 시계 방향)으로 색상이 지정됩니다. 핫 스폿 응고 시간, 입자 ID및 핫 스폿 크기.

열 모듈 계산

계산된 열 계수는 오른쪽에 표시되어 있습니다. 값이 클수록 마지막으로 고정할 위치와 일치합니다. 또한 열 계수를 사용하여 핫 스폿 위치의 라이저 크기를 결정할 수 있습니다.

일단 한기와 라이저가 결정되면 냉각제와 라이저를 사용한 두번째 응고 시뮬레이션을 실행하여 냉각제와 라이저 설계를 검증한다. 핫 스폿 크기로 채색된 마지막 자유형 입자와 열 계수는 그림. 6과 같다. 한기가 마지막 부분을 성공적으로 운전하여 라이저 부위를 얼리는 것을 볼 수 있다. 하지만, 라이저 아래에는 여전히 위험한 핫 스폿이 있다. 실제로 실제 주조물은 아래 그림과 같이 핫 스폿 입자로 식별된 위치에서 수축 다공성 결함을 보여 줍니다.

Calculated thermal modulus — 그림 5. 계산된 열 계수

마지막으로 동결할 장소는 라이저가 아니라 주조물에 있습니다. 이는 라이저 위치와 크기가 올바르게 결정되더라도 주물이 라이저 쪽으로 방향성 있게 응고되지 않도록 응고 패턴이 올바르지 않음을 나타냅니다. 한가지 해결책은 발열체 슬리브를 사용하여 응고 패턴을 수정하는 것이다. 이것은 이 글의 범위를 벗어나므로 더 이상의 논의는 없을 것이다.

Cooling and feeding system design — 그림 6. 핫 스폿 위치(상단 좌측), 단열 계수(상단 오른쪽)는 계측된 주조물로 계산되며 수축 결함의 관측된 위치입니다.

결론

금속 공학자들이 결함이 없는 주물을 위한 냉각 및 공급 시스템을 설계하는 데 도움이 되도록 FLOW-3DCAST5.0에서 두개의 새로운 공구가 개발되었습니다:마지막으로 동결할 장소와 열 계수의 계산입니다. 수축 다공성 결함이 발생할 가능성이 높은 곳은 마지막으로 동결할 장소입니다. 이들은 한기와 라이저가 위치해야 하는 위치를 나타냅니다. 열 계수는 냉기와 라이저 위치를 결정하는 데도 사용할 수 있습니다. 또한 라이저 크기를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

이 비디오는 벽 온도에 의해 색칠 된 금형을 통해 10 사이클을 보여줍니다. 슬라이스는 첫 번째 단계에서 코어 냉각 채널을 표시하고 한 단계에서 다른 단계에서 꺼지는 것을 표시하도록 선택되었습니다.

Aluminum Integral Foam Molding Process

Aluminum Integral Foam Molding Process

This application note was contributed by Johannes Hartmann and Vera Jüchter, Department of Materials Science, Chair of Metals Science and Technology, University of Erlangen-Nuremberg

알루미늄 폼은 우수한 댐핑 및 높은 에너지 흡수율 및 굴곡 강성과 같은 예외적인 특성을 보여줍니다[1]. 강성은 특히 하중 지지 및 경량 구조에 사용하기에 특히 매력적입니다. 중량별 강성을 높이고 보다 우수한 하중 전달을 위해 알 Aluminum Foam Sandwiches (AFS)와 같은 컴팩트한 특성이 필요합니다 [2].

Erlangen-Nuremberg 대학의 금속 공학과 기술 위원장은 알루미늄 발포 특성을 점차적으로 생산하기 위해 다이캐스팅 공정인 Integral Foam Molding 개발하였습니다(그림 1 참조). 이 공정은 폴리머의 사출 성형으로 개발되었으며 따라서 컴팩트한 층을 가진 복잡한 폼을 비용 효율적으로 대량 생산에 적합합니다. 이 노트에 설명 된 시뮬레이션 기법은 프로세스 매개 변수를 선택하는데 도움을 주기 위한 모델링프로세스를 확인할 수 있습니다.

Figure 1. Cross section of an aluminum integral foam with a compact skin, a transition region with decreasing relative density and smaller pores, as well as a foamed core.

Aluminum Integral Foam Molding Technology

일정량의 발포제 (수소화 마그네슘, MgH2)가 러너 시스템에 배치되고 샷 챔버는 알루미늄 용융물로 채워진다 (공정은 그림 2에 묘사되어 있으며, 공정은 [3]에 자세히 설명되어있다). 피스톤이 진행됨에 따라, 분말은 난류 방식으로 주형에 이송된다. 기술 변형 “고압 일체형 폼 몰딩 (HP-IFM)”의 경우 표준 다이캐스팅 공정에서 알 수 있듯이 이 부품은 주변의 높은 압력에서 완전히 채워져 우수한 표면 품질을 보장합니다. 템퍼링된 금형 표면에서 시작하여 용융물은 일체형으로 고형화되기 시작합니다. 몇 밀리 초가 지나면 금형은 코어 풀러 시스템 위에 열리고 부피는 국부적으로 증가하고 압력은 감소하여 열분해 및 수소화 마그네슘 입자의 수소 방출로 인해 여전히 반고체 내부 영역에서 기공 성장을 시작합니다. 모든 발포제 입자는 이웃하는 공극의 역압에 의해 멈추어 질 때까지 공극의 성장을 지속합니다. 발포된 입자의 벽은 알루미늄 합금의 응고된 입자에 의해 안정화가 되며 이를 endogenous stabilization이라고 합니다[4].

Figure 2. Schematic process cycle of “High Pressure Integral Foam Molding (HP-IFM)” of aluminum.

주조 부품의 전체 부피에서 균일한 형태에 대한 전제조건은 분해 순간의 양호한 입자분포입니다. 또한, 발포제 유입시의 용융물의 온도는 수소화 마그네슘의 분해를 결정하며 (그림 3 참조), 게다가 발포시 solid phase의 양을 결정한다. 그러나 고상의 양이 너무 많으면 기공의 강성이 증가하고 현상 기공의 구형화를 방해하여 구조가 파괴된다 [2].

Microcellular Aluminum Integral Foams – Approaching the Process Limits

일체형 발포 성형 공정시뮬레이션은 새로운 부품 설계의 몰드 충진 특성을 조사하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 입자 침투도 예측하고 비용을 절약할 수 있게 발포 공정 조건을 결정할 수 있는 강력한 도구입니다. 현재 연구의 목표는 다공성 수준을 일정하게 유지하면서 기공 크기를 줄이는 것입니다. 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션은 가능한 한 현재의 프로세스 한계에 가깝게 접근할 수 있습니다. 발포 형태의 개선은 기계적 물성에서 균질 한 구조를 유도 할뿐만 아니라 기계적 성질에 의해 더 얇은 부품의 생산이 가능할 것입니다. 이 목적은 용융물 내에서의 높은 입자 분포 밀도와 동시에 응집 현상의 감소와 함께 완전히 안정된 기공 성장에 의해서만 달성 될 수 있다.

Figure 3. Schematic curves of decomposition of magnesium hydride as a function of the melt temperature, calculated by the Johnson-Mehl-Avrami approach [2]

Figure 4. Adjustment of heat transfer by comparisons of a real solidification curve (black) to the growth rate of the solidified skin in simulation (red).

Adapting the Simulation Parameters to Practical Integral Foam Molding Experiments

입자 거동이나 온도장에 대한 신뢰성 있는 예측을 위한 CFD 시뮬레이션을 사용할 수 있으려면 실제 실험과 일치하도록 매개 변수를 결정해야 합니다. 이를 위해, 30-130 ms의 지연 시간을 갖는 일체형 발포 부품을 제작하였으며 성형 팽창 및 기공 성장 개시 순간에 고상분율 때문에 발포 형성이 불가능한 다른 밀도의 형상을 만들었습니다. 열 전달 계수 (완전한 액체 용융물과 완전 응고된 용융물)를 변화시켜 합금 AlSi9Cu3 (Fe)의 주조 사이클을 시뮬레이션하면 응고 곡선을 적용할 수 있습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 시뮬레이션을 피스톤 이동이 시작되기 전에 실제 온도분포를 묘사해야 합니다. 온도는 배치된 열에 의해 숏 챔버에서 국부적으로 측정되었으며 시뮬레이션 내 실제 데이터와 잘 일치하여 성공적으로 묘사 될 수 있었습니다. 금형 충진 중에 금형 표면에서 온도 측정을 참조 할 수도 있습니다. 시간 경과에 따른 그 변화는 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다.

표면장력이나 응고 항력계수와 같은 용융의 유동을 정의하는 추가 매개 변수 단계에서는 다른 설정과 시뮬레이션을 비교하여 조정됩니다. 시뮬레이션 내에서 용융물의 흐름이 실제 시험과 일치하는 즉시 매개 변수가 설정됩니다

Figure 5. Adjustment of melt flow defining parameters such as the surface tension by comparisons of real experiments (left) to simulations (right)

냉각 및 용해 흐름 특성을 정의한 후 입자의 유입을 시뮬레이션 합니다. 입자 / 유체 의 상호 작용에 대한 시뮬레이션을 조정하기 위해 매개 변수계수의 X 선 샘플과 비교가 되며 구리선 입자에서는 수산화 마그네슘보다 높은 함량 입자가 적용됩니다. (그림 6 참조). 시뮬레이션 결과는 실험과 매우 잘 어울리므로 프로세스 매개 변수의 함수로서 입자 분포의 신뢰할 수 있습니다.

Figure 6. Adjustment of parameters influencing particle/melt-interactions by comparisons of x-rayed samples left); produced by the entrainment of copper particles) to simulations (right)

Conclusion

전체적으로 FLOW-3D는 실제 생산 전에 새로운 부품 제조의 잠재적 결함을 조사하는 중요한 수단이 될 수 있다는 것을 증명할 수 있었습니다. 이러한 방식으로, 차가운 흐름 또는 데드 존이 없는 성공적인 충전 및 발포제 분포가 보장 될 수 있다. 또한, 예상되는 온도 필드의 정확한 묘사로, 수소화 마그네슘의 분해 특성 및 기공형성을 예측할 수 있습니다. 이는 일체형 폼 구조와 관련하여 고객의 요구를 충족시키기 위한 공정 변수를 정의 할 수 있는 가능성을 제공합니다

¹ Criterion is the solid phase fraction where the shear strength and therefore the resistance to pore evolution increases drastically.

References

[1] C. Körner, R. F. Singer, Adv. Eng. Mater. 2000, 2 (4), pp. 159-165.
[2] C. Körner, in Integral Foam Molding of Light Metals – Technology, Foam Physics and Foam Simulation, Springer, Berlin, Heidelberg, Germany 2008.
[3] H. Wiehler, C. Körner, R. F. Singer, Adv. Eng. Mater. 2008, 10 (3), pp. 171-178.
[4] J. Hartmann, A. Trepper, C. Körner, Adv. Eng. Mater. 2011, 13 (11), pp. 1050-1055.

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Integration of CFD Analysis into Die-Cast Process Design

Integration of CFD Analysis into Die-Cast Process Design

This article was contributed by Alex Reikher, Ph.D., of Shiloh Industries

오늘날의 조직은 오래되고, 잘 구축되었으며, 빠르게 성장하는 새로운 경제로부터 점점 더 많은 압박을 받고 있습니다. 시장의 세계화는 기업들이 그들의 경쟁 우위를 유지하기 위한 방안을 찾고 있습니다. 인터넷 기술의 급격한 발전과 자유로운 정보 교환은 기업이 경쟁 우위를 유지할 수 있는 기간을 단축하는 요인들입니다. 조직이 업계에서 선두 자리를 유지할 수 있는 방법 중 하나는 혁신기술을 시장에 도입하는데 필요한 시간을 줄이는 것입니다. 다이캐스팅 공정 개발 시간 단축이라는 목표를 가지고, FLOW-3D로 모델링하는 것은 Shiloh Industries의 엔지니어링 부서의 핵심 부분이 되었습니다.

우리는 7년이 넘게 다이캐스팅 모델링 도구인 FLOW-3D를 사용하여 예측 결과의 정확성과 신뢰성을 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 실제 주조 결함, 온도 분포 및 흐름 패턴과 좋은 상관 관계를 가지고 있습니다.

Shiloh Industries의 새로운 프로젝트는 게이트와 러너의 컨셉개발에서 시작되며 대략적인 slow shot profile, shot 실린더 직경, 최소 환기 영역 및 프로세스압력 요구 조건사항이 필요합니다. 유동분석은 최상의 유동패턴을 개발하고 공기 유입을 최소화하기 위해 수행됩니다. 러너설계가 완료된 후 열 분석을 실행하여 waterline 배치를 최적화합니다

Figure 1: The casting part

FLOW-3D의 매력적인 특징은 프로세스의 단계마다 별도의 분석을 실행할 수 있는 기능입니다. 이를 통해 올바른 shot 프로파일, 게이트 디자인 및 워터 라인 위치를 선택할 수 있습니다. 완전히 결합된 흐름과 열 분석은 모든 구성 요소가 잘 작동하는지 확인하기 위해 한번만 수행하면 됩니다. GMO(움직이는 물체)모델을 도입하면 저속 촬영단계에서 샷 슬리브의 최고 플런저 속도를 설정할 수 있습니다. 여기에 설명된 프로젝트에서 부품 설계는 현재 생산 버전에서 크게 변경되었습니다.

부품 형상은 그림 1에 나와 있습니다. 요구되는 주조 품질을 보장하기 위해 충전 및 응고 과정에서 어려움이 있습니다. 예를 들어, 응고 및 후속 냉각 중에 높은 내부 응력이 발생하여 바람직하지 않은 변형력이 발생할 수 있습니다.

설계 프로세스의 초기 단계에서 평가를 위해 21 개의 러너 구성이 제안되었습니다. FLOW-3D는 모든 변형을 평가하는데 사용되었습니다. 그림 2는 고려된 주 디자인 중 일부를 보여줍니다.

Figure 2: Three of the twenty-one runner systems modeled in FLOW-3D

러너 시스템의 초기 평가 기준은 유동패턴이었습니다. 설계 프로세스의 첫 번째 단계가 완료된 후, 추가 평가를 위해 그림 3에 표시된 두 가지의 러너 설계가 추가평가를 위해 채택되었습니다.

Figure 3: Runners selected for further evaluation based on the flow pattern

응고 분석은 두 번째 단계에서 평가하였습니다. 주조물뿐만 아니라 다이의 온도 분포도 분석하였습니다. 그림 4는 최종 러너 시스템 설계를 하여 응고가 끝날 때 부품의 온도 분포를 보여줍니다.

Figure 4: Different views of the final runner system chosen based on temperature distribution in the part at the end of solidification

Conclusion

7년이 넘는 기간 동안 우리는 다이 캐스팅공정 도구인 FLOW-3D를 사용하여 예측 결과의 정확성과 신뢰성을 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 실제 주조 결함, 온도 분포 및 흐름 패턴과 좋은 상관 관계를 가지고 있습니다.

우리는 다이 캐스팅 공정 시뮬레이션뿐만 아니라 일반적인 CFD 모델링도 FLOW-3D를 사용하고 있습니다. 프로세스 개발 중에 설계 변경을 고객에게 권장해야 하는 경우 FLOW-3D를 사용하면 이러한 변경 사항을 신속하고 안정적으로 평가할 수 있으며 제안된 변경 사항뿐만 아니라 변경사항이 부품 성능에 미칠 영향을 고객에게 제시할 수 있습니다.

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Improving High Pressure Die Casting Designs

Improving High Pressure Die Casting Designs

The content for this article was contributed by Mark Littler of Littler Diecast Corporation.

고압 다이캐스팅 생산 업체인 Littler Diecast Corporation은 최근 우주 항공분야에서 전기 스위치 프레임을 재설계하고 다이캐스팅할 수 있었습니다. 이전에는 다른 제조업체에서 생산했기 때문에 많은 수의 주조에 결함 문제가 있었고 스크랩 비율을 낮추기 위해서는 새로운 디자인이 필요했습니다. Littler Diecast는 문제에 대한 사전 지식없이 시뮬레이션을 통해 결함을 찾아낼 수 있음을 입증할 수 있었습니다. 이것은 고객들이 그들에게 일을 맡길 수 있을 만큼 충분한 감명을 주었습니다.

Identifying the Problem

스위치는 A380 알루미늄으로 만들어졌으며 크기는 약 1¼ x 1x 1/2 입니다. Littler Diecast는 다공성 문제가 판과 굴뚝의 두 부분에서 문제가 되고 있음을 발견했습니다. 이는 고객이 확인한 것입니다. 각 부분이 채워지는 길 때문에 구멍이 각 위치에 형성되었습니다. 이 흐름은 그림 1과 같이 하나의 게이트를 통해 들어 와서 플레이트의 먼 쪽으로 분사한 다음 다시 채워지며 조기 응고로 인해 항상 닫히지 않는 현상으로 나타납니다. 굴뚝에서도 같은 문제가 발견되었습니다. 유체가 가장 먼 곳으로 분사되고 다시 채워지면 분리선을 통해 배출될 수 없는 갇힌 공기가 생성됩니다.

X-ray of original part, showing porosity problems

Figure 1: Original design with a single gate. Plot colored by velocity magnitude..

Figure 2: Final design with three gates. Plot colored by velocity magnitude.

The Original Part Design

기존의 부품 설계에는 다른 문제가 있었습니다. lock washer와 플레이트 밑면의 밀봉된 표면주위에 많은 다이의 침식이 있었습니다. 부품 모서리에 있는 overflow는 결함이 흘러 나오기에 충분하지 않았습니다.

FLOW-3D를 사용하여 Littler Diecast는 유동의 거동을 분석하고 현상을 시각적으로 확인할 수 있었습니다. 이러한 분석으로 인해 조기 응고는 얇은 부분의 급속 냉각으로 인해 문제가 되었습니다. 만약 부품과 후면을 가로질러 유동이 흐른다면, 액체는 냉각되고 갇힌 공기를 만들어 낼 시간이 많이 필요합니다. 마지막으로 뜨거운 액체가 들어오는 것이 가장 좋습니다. 이를 염두에 두고 Littler Diecast는 여러 가지 아이디어를 테스트하고 문제의 가능성을 최소화하고 프로세스 창을 극대화 한 디자인을 달성했습니다.

The Final Part Design

세 가지 주요 설계 변경 후 부품 품질이 크게 향상되었습니다. 첫째, 게이트와 러너를 세 개의 게이트를 통해 들어갈 수 있도록 재설계하였습니다. 이것은 큰 오버플로를 생성하는 두 번째 설계 변경과 함께, 온도가 가장 높은 유체가 마지막으로 들어갈 수 있으며 플레이트에 역류가 훨씬 적다는 것을 의미했습니다. 셋째, 진입 각도와 게이트 위치가 변경되어 역류를 방지하는데 도움이 되었습니다.

또한, 이 새로운 디자인은 공구에서 다이의 침식될 수 있는 가능성을 줄였습니다. 대신 유체는 굴뚝의 중심구멍에 사용된 코어 핀 위로 분사됩니다. 코어 핀은 금형 강철을 수리하는 것보다 훨씬 쉽고 빠르게 교체할 수 있습니다. 이러한 금형 설계 변경은 새로운 금형을 절단하기 전에 이루어졌으며 금형 제작이 완료된 후에 문제가 발견되면 비용이 많이 드는 프로세스를 제거하였습니다.

Physical Verification

생산 도구의 시운전 후 Littler Diecast는 short shots, x-rays 및 파괴 테스트를 통해 설계 변경 사항을 확인할 수 있었습니다. short shot은 균형 잡힌 러너를 보여 주었으며 엑스레이에는 다공성이 보이지 않았습니다. 파단 테스트는 공극이 없는 일정한 결정립 조직을 보여 주었고, 파손은 재료의 강도 때문이 아니라 주조 결함 때문인 것으로 나타났습니다.

X-rays at different angles of a sample final part that was picked up from the shop floor.

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Increasing Productivity by Reducing Ejection Times

This article was contributed by Eugene Moore of Hellebusch Tool & Die

시뮬레이션 소프트웨어는 설계자와 엔지니어가 주조 공정의 세부 사항을 이해하고 경쟁사보다 저렴한 비용으로 고품질 부품을 일관성 있게 제작할 수 있게 해주는 유용한 도구입니다. 고압 다이캐스팅에서 시뮬레이션 소프트웨어는 주조 내로 금속을 공급하고 난류로 인한 공기 유입을 방지하기 위해 샷 슬리브 팁의 타이밍을 개선하고 오버 플로우에 대한 가장 효과적인 위치를 식별하는 더 나은 게이팅 시스템을 설계하는 데 사용됩니다. 이 기사에서는 프로세스 시간을 단축하기 위해 부품을 다이에서 배출하기 전에 시간을 줄이는 방법을 살펴 보겠습니다.

비스킷은 주조 과정에서 고형화 된 마지막 장소이기 때문에 우리의 노력에 집중할 수 있는 자연스러운 곳이며 따라서 부품을 언제 꺼낼 수 있는지를 결정합니다. 따라서 비스킷의 응고 시간을 줄일 수 있다면 전반적인 공정 시간을 줄일 수 있습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 유체와 접촉하는 영역의 양을 늘려 샷팁을 통해 금속에서 더 많은 열을 제거하는 것입니다. 이 경우 정확하게 적용할 수는 없지만, 아래에 표시된 정상상태 대류 방정식을 사용하면 이 접근법의 기초가 가장 쉽게 표시됩니다.

이 방정식에서 열 흐름은 대류 열 전달 계수이고, 금속 팁과 샷 팁 온도의 차이이며, 금속과 접촉하는 샷 팁의 표면적입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 오늘날 시장에서 볼 수 있는 다양한 형태의 플런저 팁이 금속과 접촉하는 표면적을 증가시키도록 설계되었습니다.

Figure 1: Plunger tips varying in size and surface area [1]

비스킷에서 제거된 열을 증가시키는 또 다른 방법은 비스켓에서 샷 팁과 금속 사이의 온도 차이를 조절하는 것입니다. 이는 그림 2 에서처럼 냉각 선을 팁에 추가하여 수행됩니다. 이 접근법의 단점은 피스톤 어셈블리에 상당한 복잡성을 추가한다는 것입니다.

Figure 2: Cooling within plunger tip [2]

New design

이 기사에서 FLOW-3D Cast를 사용하여 새로운 플런저 팁 디자인을 분석하고 수정되지 않은 표준 원통형 팁과 비교했습니다. 그림 3에서와 같이 끝 부분에 별 모양의 컷 아웃이 있는 원통형 팁으로 구성된 수정된 팁은 수정되지 않은 샷 팁보다 20 % 더 많은 표면적을 갖습니다. 팁은 분석을 위해 물로 냉각되지 않습니다.

Figure 3: Shape of the modified tip to give 20% increase in area

Analysis

각 샷 팁 디자인에 대해 충진 (샷 팁 모션 포함) 및 응고 (플로우 미포함) 시뮬레이션을 실행했습니다. 모든 다른 매개 변수는 사례간에 동일합니다. 주요 관심사는 두 가지입니다. 즉, 충전 중 흐름 패턴과 전반적인 응고 시간입니다. 샷 팁 디자인이 파동 및 공기 유입을 유발하는 경우 팁 또는 샷 슬리브 프로파일을 다시 설계해야 하기 때문에 충진 중 흐름 패턴이 중요합니다.

첫 번째 비교는 그림 4에 표시된 샷 슬리브의 흐름 패턴입니다. 이 그림은 수정 된 팁이 있거나 없는 샷 슬리브 중 유체의 이미지를 보여 주며 팁의 모양이 샷 슬리브에 영향을 주지 않는 것으로 나타났습니다. 흐름 패턴. 샷 프로파일에 거의 영향을 주지 않기 때문에 응고에 집중할 수 있습니다.

Figure 4: Flow patterns in the shot sleeves from both tips.

두 번째 비교는 응고 시간입니다. 그림 5는 시간의 함수로서 팁의 평균 온도, 시간의 함수로서 금속으로부터 팁으로의 열 유속 및 추출시의 액체 금속의 온도 프로파일을 비교합니다

Figure 5: The above time plots show the average temperature in tip on the upper left hand corner and the heat flux from the metal to the tip in the upper right hand corner. The images below this show the metal temperature within the biscuit of the two castings.

그림 5에서 볼 수 있듯이, 그래프는 금속에서 더 많은 열을 추출했기 때문에 수정 된 팁의 평균 온도가 더 높음을 보여줍니다. 이것은 또한 열 유속 플롯에 표시됩니다. 그래프 아래의 이미지는 비스킷과 탄환의 경계면에서 액체금속을 보여줍니다. 데이터는 수정된 팁을 사용하여 열 제거가 12.7 % 증가한 것을 보여줍니다.

Conclusions

샷 팁 디자인은 주조 부품의 응고 시간에 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 효과를 분석하고 이 지식을 사용하여 프로세스 매개변수를 최적화하는 방법을 제공합니다.

References
[1] http://www.metalminotti.it/copper-alloys-semi-and-finished-products/plunger-tips-for-die-casting/
[2] http://www.castool.com/product/plunger-rod

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Investigation of Mould Leakages in a Gravity Casting

This article was contributed by Gabriele Taricco of CM Taricco and Stefano Mascetti of XC Engineering.

Metal leakages in the original gravity casting mould

몰드 설계는 유체 역학과 금속 응고 패턴뿐만 아니라 주형 자체에서 발생할 수 있는 문제와 응력에 대한 반응을 고려해야 하는 매우 복잡한 작업입니다. 이탈리아에 본사를 둔 주형 제작 업체인 CMTaricco 사는 최근에 새로운 주형 중 하나의 하부에서 금속 누출 문제에 직면했습니다. 주형 누출의 원인은 처음에는 분명하지 않았으며 몇 번의 공정 주기 후에만 나타났습니다. 제작 일정에 차질이 생기고 부품 주조 비용이 급격히 증가하기 때문에 문제가 중요한 것은 분명했습니다.

Investigation of an idea

공정 자체는 주입과 오버플로우 설계인 중력 주조 방식이었기 때문에 유체 역학 부분에서는 문제가 발생할 수 없었습니다. GabrieleTaricco (CMTaricco의 소유주)의 가설은 금속 누출이 주형의 열 손실의 설계 불량에서 기인하여 균일하지 않은 분포를 초래한다는 것이었습니다. 변형률과 그에 따라 주형 바닥에서 크고 원하지 않는 변형이 순환하면서 금속이 유출될 수 있는 중요한 영역의 개방까지 주기적으로 시행되었습니다. 이를 확인하고 문제에 대한 신속한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D시뮬레이션을 실행하여 주형이 가열될 때 발생하는 현상을 정확하게 파악했습니다.

Schematic of a critical area where metal was flowing out of the mould

A careful setup, to achieve a fast resolution of the issue

문제의 원인은 신속하게 파악할 수 있어야 했기 때문에 최신 Flow-3D기능을 모두 활용하여 정확한 설정이 필요했습니다. 특히, 채택된 meshing기법은 전통적인 설정과 거의 동일한 정확도를 유지하면서 전산 셀의 수를 크게 줄이는데 매우 도움이 되었습니다. 빠른 시뮬레이션으로 주형 세척에 사용된 첫 번째 방법은 주형 내부의 얇은 캐비티를 직교 축과 정렬하기 위해 주형을 수직 축 주위로 회전시키는 것이었습니다.

Rotating the mould around the vertical axis in order to align the inner thin cavity of the mould

두 번째 트릭은 내부 공동 (얇은 벽)에 new conformal mesh기능을 사용하는 한편 전체 도메인에 대해 기존의 더 큰 메쉬 블록을 유지하는 것 이었습니다. The conformal mesh는 open volume과 일치하고, 작은 간극을 갖는 cavity로 제한됩니다.

A global view of the mould with cores and its alignment with the mesh blocks

마지막으로, 외부 공간을 주형에 제한하기 위해(현재 구두 상자 모양이 되고, 20도 회전하며, 모델 축과 정렬상태) 일부’ 도메인제거’ 요소가 사용되었습니다.즉, FLOW-3D의 내부 솔리드 모델을 통해 직접 연결됩니다

Domain removing components (yellow) were used to limit the space externally to the mould.

나머지 설정은 소프트웨어의 권장 기본값 대부분을 이용하여 기존 체계를 따랐습니다. 이러한 기능과 FLOW-3D의 새로운 하위 도메인 분해 기능 덕분에 설계된 9 000 000 셀을 유체 하위 도메인의 경우에만 1 840 000 셀로, 고체 서브 도메인의 경우 2 430 000 셀로 줄이는 것이 가능했습니다.

The analysis

주입 시뮬레이션 후, 양호한 주입 패턴을 보장하기 위해 시뮬레이션의 초점이 열 다이 사이클링 분석으로 리디렉션 되었습니다. 이 경우 설정은 일반 데스크 톱 컴퓨터에서 10개의 생산 사이클을 재현하는 데 1시간이면 간단하고 빠릅니다(i7930 K, 상업적 가치 1500달러). 그 결과 CM의 초기 가설이 확인되었습니다. FlowSight를 사용하여 단일 이미지에서 여러 시점과 횡단면에서 온도 필드를 관찰한 결과 온도가 d라는 것이 분명했습니다. 주형의 침입은 예상되는 변형과 금속 누출을 쉽게 유발할 수 있습니다.

Simulation of the mould’s temperature during the die cyclings

Further analysis with the Fluid-Structure Interaction module

일단 문제가 확인되고 기술 요원이 향상된 금형 설계를 시작하면 CM Taricco는 다이 상의 응력 및 변형에 대한 FEM 해석을 실행하는 최종 확인을 원했습니다. 이 분석을 수행하기 위해 XC Engineering Srl은 CM이 계산을 설정하고 수행하는 것을 도왔습니다. 분석의 결과는 정확히 CM이 생각하고 있는 것을 보여주었습니다. FLOW-3D는 붓기가 거의 걸리지 않은 금형에서 발견 된 실제 변형과 동일한 위치와 크기를 극도의 정확도로 재현 할 수 있었습니다. 이것은 CM에 대한 좋은 소식이었으며, 실제 주조 조건을 기반으로 실제 금형 변형을 예측하기 위해 설계 단계에서 FSI 모듈을 사용하는 추가 권장 사항을 시행했습니다.

Deformation of the mould during the die cyclings, simulated using the Fluid Structure Interaction model. Deformations are amplified x20.

Conclusion

해석결과, CM직원은 CFD솔루션의 온도영역에 대한 모든정보를 사용하여 최적화된 새로운 주형을 설계할 수 있었습니다. 새로운 주형은 열 에너지를 보다 효율적인 방법으로 방출할 수 있었으며 주조물은 수 십번의 공정 주기 후에도 금속 누출의 영향을 받지 않았습니다.

The cast part after mould optimization. No critical leak defects are present.

Sand Core Making / 모래 코어 제작

Sand Core Making / 모래 코어 제작

This article on sand core making was contributed by Dr. Matthias Todte and Frieder Semler, Flow Science Deutschland GmbH.

주조 품질에 대한 수요가 증가하고 고성능 구성 요소에 대한 박막형 구조로의 추세로 인해 품질에 대한 요구가 강화되었으며 동시에 모래 코어의 기하학적 복잡성도 증가했습니다. 시뮬레이션은 코어 박스의 설계를 최적화하는 데 도움이 되며, 저온 및 고온 코어 박스를 위한 유기 및 무기 바인더 시스템의 촬영, 가스 처리 및 경화를 위한 강력한 공정 조건을 확립합니다.

기체 주입, 건조 및 템퍼링의 기본 프로세스에 대한 논의는 실험적 검증을 거쳐야 합니다. 그런 다음 주물 결함을 방지하기 위해 코어 사격 공정 시뮬레이션이 필수적이었는지를 보여 줍니다. 마지막으로 코어 박스의 마모와 수명을 예측하는 수치모델을 개발한 연구 프로젝트를 소개합니다.

Water jacket core

Simulation of sand core making processes

Shooting

Shooting Simulation에서 모래로 채워진 타격 헤드가 공기를 통해 가압되고, 이로 인해 공기/모래/실린더/바인더 혼합물로 구성된 “유체”가 생성됩니다. 이 유체는 분사 노즐을 통해 코어 박스로 흐르고 배출 노즐을 통해 상자 밖으로 공기가 배출됩니다. Shooting Simulation의 목적은 코어 박스에 있는 모래의 밀도분포를 높히고 균일하게 하는 것입니다.

촬영 과정에서 모래로 채워진 블로 헤드가 공기를 통해 가압되어 공기/모래/바인더 혼합물로 구성된 “유체”가 생성됩니다. 이 유체는 블로우 헤드에서 분사 노즐을 통해 코어 박스로 흘러 나와 공기를 환기 노즐을 통해 박스 밖으로 밀어냅니다. Shooting 의 목표는 가능한 한 높고 균일하게 코어 박스에 있는 모래의 밀도 분포를 달성하는 것입니다. 변경할 수 있는 프로세스 매개 변수는 분사 압력과 발사 및 배기 노즐의 수와 위치입니다. 시간과 비용을 절약하기 위해 코어의 품질을 저하시키지 않고 가능한 한 노즐을 적게 사용하는 것이 바람직합니다.

Sand density distribution after the shooting

시뮬레이션을 사용하여 다양한 사격 및 환기 노즐 구성과 그 구성이 결과 모래 밀도 분포에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다. 엔지니어는 속도와 전단 응력을 예측하여 코어 상자의 마모 및 이에 따른 수명에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.

Gassing

유기 바인더 시스템에서는 모래가 유기 수지로 코팅됩니다. 이 수지의 경화는 보통 아민이라는 기체에 의해 이루어지는데, 이것은 일반적으로 분사에 사용된 노즐을 통해 주입됩니다. 이 가스는 코어가 모든 부분에서 경화되도록 하기위해 모든부분에 도달할 만큼 길어야 한다. 반면에, 유독 가스를 줄이기 위해서는 가스 배출이 필요이상으로 길어서는 안됩니다.

유기 바인더 시스템에서는 모래가 유기 레진으로 코팅되어 있습니다. 이 레진의 경화는 보통 아민 가스 작용제에 의해 이루어지는데, 아민은 주로 인젝션에 사용되는 노즐을 통해 분사됩니다. 이 가스 주입은 가스가 코어의 모든 부분에 도달할 수 있도록 충분히 길어야 합니다. 코어가 모든 곳에서 경화되도록 하기 위해서입니다. 반면, 가스 배출은 독성 가스를 절약하기 위해 필요 이상으로 길지 않아야 합니다.

Amine concentration in a core

시뮬레이션은 시간 경과에 따른 코어의 아민 농도 분포를 예측하며, 이는 코어의 경도와 동일하다. 이를 통해 엔지니어들은 가스 생성 공정에 대한 합리적인 시간 규모를 결정할 수 있습니다.

Drying

주조물의 수가 증가하는 경우, 독성이 있는 유기적 시스템 대신 무기, 수성-기반 바인더 시스템이 사용됩니다. 배기 가스 배출이 없는 코어 생산 공정의 이점 외에도 이 시스템은 주조 공정 중 코어 가스 생산량을 줄여 주조 품질을 향상시킵니다.

모래 코어의 경화를 위해서는 일반적으로 뜨거운 공기가 주입되어 이루어지는 코어에서 물을 제거해야 합니다. 이러한 바인더 시스템의 경우, 코어의 잔류 수분은 경도에 대한 측정 값입니다. 시뮬레이션은 코어를 통과하는 공기의 흐름뿐만 아니라 물이나 증기의 증발과 응축, 뜨거운 공기와 함께 증기의 이동을 모델링 해야 합니다.

아래 이미지는 예측된 잔류 수분과 실제 코어의 강도(또는 손상)의 상관 관계를 보여 줍니다.

Correlation of predicted residual moisture and the damage of a real core

Tempering of core boxes

핫 박스 및 크로닝과 같은 특정 코어 제조 공정에서는 가열된 코어 박스에 있는 바인더의 열 반응을 통해 코어의 경화가 이루어집니다. 상자의 가열은 가열 채널과 전기 가열 요소를 사용하여 수행됩니다. 좋은 코어 품질을 위해서는 코어 상자의 균일한 온도 분포가 바람직합니다. 시뮬레이션은 특정 가열 소자 구성에 대한 온도 분포를 시간 경과에 따른 예측하고 발열의 균일성과 원하는 온도에 도달하는 데 필요한 시간을 표시합니다.

Temperature distribution in a heated core box

Validation of the core blowing model

Experiments and simulations for a water jacket core

핵심 shooting 실험은 TU 뮌헨의 파운드리 연구소에서 실시되었습니다. shooting 시간과 압력, 흡입구와 환기구의 수 등의 공정 매개 변수들이 다양하였으며 이들 매개 변수들이 분석된 코어 품질에 미치는 영향이 다양하였다. 실제 코어에서 발생한 결점은 시뮬레이션에서 모래 밀도가 낮은 영역과 상관 관계가 있습니다(아래 그림 참조).

Core defects compared to simulated density distribution

Application of the core blowing model : 리어 액슬 하우징의 주조 품질 개선

품질 보증에서 리어 액슬 하우징의 주물 결함을 감지했습니다(아래 그림 참조). 그 결함들은 중심부의 표면 결함의 결과인 것처럼 보였다. 이 가설을 뒷받침하고 코어 표면 품질을 개선하기 위한 조치를 권고하기 위해 시뮬레이션이 수행되었다. 마지막으로, 코어 박스 환기구의 다른 구성(숫자 및 위치)을 통해 주조 품질을 개선할 수 있었습니다.

Casting defects of a rear axle housing

Correlation of surface defects and simulated density distribution

Research project: Prediction of the lifetime of core boxes

코어 박스는 대부분 폴리우레탄 수지 코팅의 알루미늄으로 제작된다. 사격 과정에서 모래에 의한 코어 박스 표면의 침식은 코어 박스의 수명을 제한하는 요인이다. 프로젝트 목표는 표면 처리가 수명에 미치는 영향을 이해하고 단일 시뮬레이션에서 다수의 샷에 의해 발생하는 침식을 예측할 수 있는 연산 모델을 개발하는 침식 프로세스를 분석하는 것이었다.

일반적인 코어 상자(아래 참조)는 다른 모양의 삽입물로 제작되었습니다.

Core box with different inserts

수치 모델은 코어 박스 벽의 압력과 전단력의 공간적, 시간적 통합에 기초하여 부식에 대한 양을 도출한다. 모형에 의해 예측된 침식은 실험 값과 일치했습니다(아래 그림 참조).

Comparison of measured and simulated erosion

Metal Casting Models

FLOW-3D CAST는 금속 주조를 위해 특별히 설계된 다양한 물리적 모델을 포함하고 있습니다. 이는 모든 종류의 금속 주조 용도와 관련된 문제에 대한 가장 정확한 해결책을 제공합니다. 이를 통해 고객은 보다 적은 시간과 비용으로 지속적으로 주조 수율과 품질을 개선할 수 있습니다.

자유 표면 흐름을 정확하게 예측할 수 있는 특수 기능을 갖춘 FLOW-3D CAST는 금형 용탕 충진 및 공기 주입과 같은 관련된 결함을 시뮬레이션하는 데 가장 적합합니다. 강력하고 유연한 열전달 모델은 응고, 냉각 채널, 열 다이 사이클 시뮬레이션과 같은 금속과 금형 사이의 열 교환을 빠르고 정확하게 예측할 수 있습니다. 금형 용탕 충진과 결합할 수 있는 응고 및 수축 모델은 과도한 수축공과 기공 영역을 정확히 찾아내어 결함이 완화됩니다. granular media 모델과 수분 건조 모델을 사용하여 모래 코어의 blowing과 건조 공정을 시뮬레이션 할 수 있습니다. FLOW-3D CAST의 유한 요소 기반 열 응력 모델을 사용하면, 고객이 응력이 발생하는 위치와 주조 변형이 일어나는 이유를 정확하게 예측할 수 있으므로 열 변형 결함을 제거할 수 있습니다. 주철 모델은 공정 반응하는 동안 흑연, 감마 – 철 및 탄화물 형성을 예측하여, FLOW-3D CAST의 적용 범위를 확장합니다. 코어 가스 제품 군의 고유한 특징은 코어 가스 생성 및 모래 코어에서의 흐름을 모델링 하여 금속 주물의 코어 가스 관련 결함을 예측하는 데 사용할 수 있습니다.

FLOW-3D CAST는 금속 주조 모델링 및 시뮬레이션 분야의 선두 프로그램입니다. 금속 주조 업계에 대한 당사의 헌신은 금속 주조와 관련된 모델과 용도에 대한 당사의 지속적인 개발로 입증되었습니다. 당사는 고객과 지속적으로 협력하여 실제 애플리케이션을 위해 개발하여 품질과 생산성을 향상시키고 지속적으로 혁신할 수 있도록 지원할 것입니다.

Key Framing in FLOW-3D CAST – Short Tutorial

Check out this short tutorial that shows you how to use the keyframing capability in FlowSight to open the die halves “visually” during filling and display the solid temperature on the die faces while showing the metal filling the dies.

Learn more about the advances in FLOW-3D CAST v5 at https://www.flow3d.com/products/flow-3d-cast/flow-3d-cast-v5-0/

Jewelry Casting

FLOW-3D CAST는 엔지니어가 주조 공정 설계 개념을 빠르고 효율적으로 탐구하고 최적화 할 수 있게 합니다. FLOW-3D CAST를 사용하여 위해 귀금속 주조를 포함한 다양한 주물 공정은 보석을 만들기 위해 모델링하고 최적화 할 수 있습니다. 완벽성이 중요한 보석 산업에서 FLOW-3D CAST의 매우 정확한 주입 및 응고 시뮬레이션은 표면 산화물, 공기 침투, 수축 및 기공을 포함한 중요한 보석 주조 결함을 예측합니다. Flow Science의 고도로 숙련 된 기술 엔지니어 팀은 포괄적인 교육은 물론, 전화, 전자 메일 및 금속 주조 산업에 대한 전문가의 지원을 제공합니다.

Centrifugal Casting of a Jewelry Ring Tree

FLOW-3D CAST simulation of centrifugal casting with non-inertial reference frame motion on the top and stationary motion on the bottom left.

Gravity Pour Ring Casting

Gravity casting of a jewelry tree containing 2 rings. Fluid is injected into the tree in an asymmetrical manner – the center of inflow source is offset the center of the crucible.

Single Ring Centrifugal Casting

하나의 백금 링을 FLOW-3D CAST를 사용하여 원심력으로 주조했습니다. 주조 공정에서 중요한 단계인 충진 과정은 주조 엔지니어가 주조 링의 표면 결함, 공기 유입 및 주입 온도를 자세하게 볼 수 있게 시뮬레이션 됩니다.

Continuous Casting

연속 주조는 용강이 반제품 빌렛, 블룸 또는 슬래브로 응고되어 후속 압연기에서 압연하는 공정입니다. 연속 주조시, 용강은 레들에서 주조기로 이송됩니다. 주조 작업이 시작되면 레들의 바닥에 있는 슬라이딩 셔터가 열리고 철강은 제어된 속도로 턴디쉬 안으로 그리고 턴디쉬에서 하나 이상의 주형으로 흐릅니다.

1950 년대에 연속 주조가 도입되기 전에 철강은 고정 금형에 붓고 잉곳을 성형했습니다. 그 이후로 지속적인 주조는 수율, 품질, 생산성 및 비용 효율성을 향상시키기 위해 발전해 왔습니다. 주조 회사는 공정 개선을 위해 항상 노력하고 있으며, FLOW-3D CAST를 사용한 시뮬레이션은 물리적 시행 착오없이 비용을 절감할 수 있는 기회를 제공합니다.

Semi-Continuous Casting of a 600 mm Slab with Stress Calculation

이 시뮬레이션에서는 600mm직경 슬래브의 반 연속 주조의 공정이 모델링 됩니다. 액체 금속, A7050 합금은 세라믹 노즐을 통해 상단에서 들어가 흑연 주형을 통과하고, 표면 열전달계수와 지정된 온도로 모델링 된 물 분무에 의해 냉각됩니다. 하단의 강철 캡은 금속의 이동을 시작하여 액체 금속이 유출되는 것을 방지합니다. 캡은 0.3mm/sec의 일정한 속도로 아래쪽으로 이동하는 General Moving Object 물리 모델로 모델링 됩니다. 열응력 해석 모델은 균일하지 않은 냉각 및 수축으로 인해 고상 금속에서 발생하는 응력 및 변형을 예측하는 데 사용됩니다. 이 애니메이션은 Von Mises stress 결과를 보여 주는데, 400배로 확대된 결과입니다.

Continuous Casting Simulations

Rotational channel continuous casting example.

Solid fraction contours of the continuous casting process of a cylindrical steed rod using the general moving object and solidification models.

A 2D axisymmetric slice showing transient solidification contours through the transition region during continuous casting of a cylindrical steel rod.

Centrifugal Casting

원심 주조에서는 금형이 고속으로 회전하고 용해된 금속은 그 안으로 주입됩니다. 용해된 금속은 금형 내부에서 바깥쪽으로 방사되어 냉각되면서 응고됩니다. 중심 가속도와 관련된 더 높은 압력이 결함을 회전축 쪽으로 미는데, FLOW-3D CAST의 non-inertial reference frame model은 속도와 결함들의 위치를 수정할 수 있는 기능을 통해, 이러한 회전조건을 설정하여 매우 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있습니다.

Centrifugal Casting Examples

강철 임펠러 원심 주조 공정의 부분 주입 시뮬레이션. 회전 속도는 250rpm으로 설정되었습니다.

FLOW-3D CAST는 임펠러 베인을 주조할 때 초기 응고 문제를 시뮬레이션하고 보여 주는 데 사용됩니다.

Centrifugal casting simulations, courtesy Metaltek.

Gravity Pour

중력 주조는 큰 부품(일반적으로 철, 청동, 황동 또는 알루미늄)을 만드는 데 사용됩니다. 사형 주조 및 영구 금형을 포함한 대부분의 주조 공장 주조 공정은 FLOW-3D CAST를 사용하여 모델링 할 수 있습니다. 주입 프로세스는 고압 다이 캐스팅에 비해 덜하지만 과도한 공기 주입으로 인한 공기 유입으로 인해 품질이 저하될 수 있습니다. 주입하는 동안 잠재적 결함의 위치와 온도의 변화 뿐만 아니라, 용탕 표면의 움직임도 정확하게 예측됩니다. 충진이 완료된 후 용탕의 응고 및 수축을 모델링 할 수도 있습니다.

Accurate Filling Simulations

주조 공정에서 주입 작업은 결함들이 라이저로 이동하는지, 또는 부품에 갇힌 채로 남아 있는지 여부와 같은 주입 패턴 및 관련 결함을 분석하는 작업으로 이루어집니다. 시뮬레이션 분석을 사용하면 설계의 효율성을 검증하고 비용을 절감하면서 생산에 들어가기 전에 설계를 테스트할 수 있습니다. 주입의 정확성은 산화물의 결함과 갇힌 공기의 위치를 추적하는 데 중요할 뿐만 아니라, 응고 결과의 핵심입니다. 올바른 주입 패턴은 주입 마지막의 올바른 열 분포를 의미합니다. 이 열 분포는 응고 분석의 기초가 됩니다.

BMW Injector Casting Process – Innovative ingate system for gravity casting. Courtesy BMW and Flow Science Deutschland.

Solidification of Castings for Foundry Applications

편석, 열응력, 마이크로 및 매크로 기공 등 응고와 관련된 다양한 결함들이 있습니다. 정확한 응고 결과를 얻기 위한 중요한 첫번째 단계는, 정확한 주입입니다. 정확한 주입은 응고 모델링의 초기 조건인 올바른 열 프로필을 캡처하는데, FLOW-3D CAST는 주조 부품을 보다 신속하게 설계하고 폐기율을 낮출 수 있는 많은 응고 관련 결함을 감지할 수 있습니다.

Tilt Pour

경동 주조에서는 금형이 수평 위치에 있는 동안 용탕이 주입 래들에 주입됩니다. 그런 다음 사전에 설정된 사이클 시간을 사용하여 주조 기계가 수직 위치로 상승하고, 용탕이 느리고 연속적인 주입 속도로 금형으로 들어갈 수 있습니다. 경동 주조 방법은 다양한 주조 형태를 가능하게 하는 런너-게이트 유연성 때문에 일반적인 주조 용도에 적합합니다.

Temperature profile during a tilt pour filling cycle

아래와 같은 예에서는 케이블 탭으로 연결되는 알루미늄 커플러 케이블에 대해 경동 주조의 시뮬레이션을 수행하여, 부품의 무결성과 표면 품질을 보장했습니다. 경동 회전을 완료하는 데 걸리는 시간은 중요합니다. 회전 속도는 FLOW-3D CAST에서 쉽게 수정할 수 있으므로 사용자가 이 속도를 최적화할 수 있습니다. 회전 속도가 너무 빠르면 공기가 유입되어 더 느리게 표면 결함이 나타날 수 있습니다. 온도 프로파일은 최대 및 최소 그래프 값을 각각 액상과 고상 온도로 설정하여 시각화 합니다. 여기서 부품이 반쯤 채워져 있고 용탕 온도가 고상 온도에 가깝지 않기 때문에 조기 응고는 나타나지 않습니다.

Simulation of the tilt pour process using FLOW-3D Cast.

Tilt pour casting simulations

수상 래프팅 장비에 사용되는 경량 알루미늄 부품은 고품질의 마감이 필요하며, 이상적으로 표면이 없고 결함이 없도록 주조됩니다. 이러한 경동 주조 프로세스의 시뮬레이션은 주입 프로세스를 통해 갇힌 표면 산화물 및 침입 공기의 잠재적 영역을 보여줍니다. 이러한 결점의 움직임을 알면 주조 엔지니어가 더 나은 게이트, 런너 및 라이저를 설계하여, 주물 내의 결점을 제거하는 데 도움이 됩니다. FLOW-3D CAST는 독자적인 6자유도 이동 기능을 통해, 금형의 복잡한 경사 순서와 각도 가속도를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

Predicting metal casting defects

Surface oxide and entrained air defects in a tilt pour casting

Visualizing non-inertial reference frame motion

casting with non-inertial reference frame motion on the left and stationary motion on the right

blog 에서 FLOW-3D CAST v4.2의 FlowSight 에 대해 자세히 알아보십시오.

Low Pressure Die Casting

LPDC (Low Pressure Die Casting)

저압다이캐스팅(LPDC)은 세라믹 튜브가 위의 강철 금형에 연결되어 있고, 아래의 용융로로 연장되는 프로세스입니다. 그런 다음 용광로는 스프루를 통해 유체를 강제로 밀어 넣어 부품을 채웁니다. 주물이 고상화되면 공기 압력이 감소되어, 튜브의 액체 형태로 남아있는 나머지 금속이 용광로로 되돌아 갈 수 있게 됩니다. 저압다이캐스팅은 높은 생산 속도, 더 나은 표면 품질 및 강도 향상을 위한 고온 열처리가 필요한 경우, 최대 2.5mm의 두꺼운 부품에 사용됩니다.

FLOW-3D CAST는 열 다이 사이클링, 충진 및 열응력 및 변위를 포함한 응고 모델링을 통해 저압 다이 캐스팅의 여러 측면을 보다 잘 설계할 수 있습니다. 생산 이전의 디자인 개선으로 실험을 통해 시행 착오를 완화하고, 보다 신속하게 설계에 적용할 수 있습니다. 둘 모두 시간을 절약하고 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

LPDC Simulations

High Pressure Die Casting

HPDC(High Pressure Die Casting)는 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 가장 큰 당면 과제 중 일부입니다. FLOW-3D CAST는 사용자가 매우 정확한 TruVOF를 포함하여, 채우기 프로세스를 비판적으로 분석할 수 있도록 금형 채우기 시뮬레이션의 정확성을 크게 향상시키는 몇 가지 기능을 가지고 있습니다. 움직이는 금속 전면을 추적하기 위한 알고리즘과, 일반적으로 고압 다이캐스팅과 관련된 복잡한 형상을 정확하게 나타내는 FAVOR™ 또한 FLOW-3D CAST는 공기 침입, 미세 기공, 접힘 및 개재물 등의 결함을 탐지하기위한 수많은 모델을 보유하고 있습니다.

Thermal Die Cycling

수천개의 주물을 생산하기 위해 동일한 금형을 반복적으로 사용하기 때문에, 고압 다이캐스팅에는 열 다이 사이클 시뮬레이션이 필수적입니다. 금형의 뒤틀림으로 인해 금형 온도가 일정하게 유지되어 치수 불안정을 초래합니다. FLOW-3D CAST를 사용하면 다이 가열, 분사 및 공기 블로우-오프 효과와 냉각 채널 및 삽입물의 위치를 적절하게 예상해서 온도 분포 결과가 정확하고 효과적일 수 있습니다

Shot Sleeve Optimization

고압 다이캐스팅 시, 샷 실린더는 용탕을 신속하게 금형 안으로 밀어 넣습니다. 수평 방향으로 향하여, 용탕은 상단의 주입구를 통해 그 안으로 주입되고 피스톤은 용탕을 실린더 아래로 밀어낸다. 올바르게 설계된 샷 슬리브 프로파일의 목적은 용탕을 금형에 최대한 빨리 밀어 넣어, 불완전하거나 결함 있는 주입을 유발하는 조기 응고를 방지하는 것입니다. 그러나 피스톤이 너무 빠르게 움직이면 용탕이 접혀 최종 주조 부품에 내부 결함으로 나타날 수 있는 공기가 갇힙니다.

FLOW-3D CAST를 사용하여 몇 분 내에 여러 샷 프로파일을 계산할 수 있습니다. 여기에 표시된 것은 두가지 샷 프로파일의 시뮬레이션입니다. 일정한 속도의 2단계 프로세스와 FLOW-3D CAST내에서 상당한 차이를 보이는 점진적 가속 데이터로 계산된 또 다른 것입니다.

Filling Simulations

가장 복잡한 고압 다이캐스팅 문제는 용탕이 고압에서 고속으로 금형 내부로 들어갈 때 용탕을 정확하게 추적하는 것입니다. 이로 인해 용탕이 공동 현상에 튀는 것은 소프트웨어의 결함 예측에 상당한 어려움을 겪게 됩니다. TruVOF 방법을 사용하면 게이트의 위치를 파악하여 최적의 흐름 패턴, 오버 플로우의 위치 및 초기 응고 현상과 결함 여부를 확인할 수 있습니다.

Modeling Solidification

FLOW-3D CAST는 엔지니어가 최종 부품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 내부 다공성의 형성을 조사하는 데 도움이 됩니다. 또한 FLOW-3D CAST를 사용하면 이종 합금의 편석에 대한 조사가 가능합니다. 마지막으로, 온도 이력에 대한 자세한 설명을 통해 냉각 라인을 추가해야 하는지 또는 추가해야 하는지 여부와 초기 금속 온도를 변경해야 하는지 여부를 판단할 수 있습니다. FLOW-3D CAST를 통해 엔지니어는 내부 기공, 열응력 및 이종 합금 편석의 형성 여부를 조사할 수 있습니다.

High Pressure Die Casting Simulations

Permanent Mold

영구 금형과 모래 금형의 차이점은 영구 금형을 재사용 할 수 있다는 것입니다. 금형을 재사용하는 주조 공정에는 중력, 경동, 저압 다이캐스팅 및 고압 다이 캐스팅이 포함됩니다. 영구 금형에는 금속과 흑연의 두 가지 유형이 있고 몰드 유형의 사용은 주조 금속에 달려 있습니다. 금속 주형에 사용되는 주조 금속은 알루미늄, 구리 합금, 아연 및 마그네슘을 포함합니다. 흑연 주형에 사용되는 주조 금속은 강 및 철입니다. 또한 내부 공동을 생성하기 위해 샌드 코어를 사용하는 반영구적인 금형이 있습니다. FLOW-3D CAST는 금형의 충진, 응고 및 열응력과 관련된 주조 결함을 포착하여 처음 프로세스를 올바르게 설계하고 궁극적으로 시간과 비용을 절약 할 수 있습니다.

Simulation of a low pressure die casting showing the filling temperature of a tire rim.

Customer Examples of Permanent Mold Castings

Validations

금속 주조 설계 과정에서 FLOW-3D CAST의 사용은 회사의 비용 절감 방안을 제시하여 수익성을 개선할 수 있습니다. FLOW-3D CAST 는 엔지니어와 설계자에게 경험과 전문지식을 향상시킬 수 있는 강력한 도구가 될 수 있습니다. 보통 수익성은 비용 절감과 비용 회피에서 찾을 수 있습니다. 지금, 품질과 생산성 문제는 제품개발 단계에서 다양한 시뮬레이션 통해 짧은 공정시간, 낮은 비용으로 해결 할 수 있는 방안을 찾을 수 있습니다. 새로운 개발도구인 FLOW-3D CAST의 효율성은 생산이 시작되기 전에 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하여 생산성을 크게 개선할 수 있습니다.

Ladle Pour

샷 슬리브 공정을 최적화하는 것은 고품질 부품을 확보하는 데 필수적입니다. FLOW-3D CAST의 시뮬레이션 결과와 실제 사례의 비교를 통해, 시뮬레이션을 사용하여 엔지니어가 값 비싼 툴링을 제작하기 전에 설계를 개선하는 방법을 강조합니다. FLOW-3D CAST는 프로세스 전반에 걸쳐 유체의 움직임을 정확하게 포착할 수 있으므로, 엔지니어가 실제 레들 주입 공정에서 신속하게 파악할 수 있습니다. 시뮬레이션은 Nemak Poland Sp. z o.o로부터 제공받았습니다.

Gravity Casting

열전대 데이터를 기반으로 한 실제 충진 재구성과 비교 한 중력 주조 시뮬레이션. Courtesy of XC Engineering and Peugeot PSA.

Foundry: Simulating a Flow Fill Pattern

사형 주조 충진중의 X- 레이 검증

X -레이 결과와 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과를 나란히 비교합니다. A356 알루미늄 합금으로 사형 주조의 3 차원 충진 색상은 금속의 압력을 나타냅니다. 시뮬레이션 결과는 수직 대칭 평면에 표시됩니다. Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes VII, London, 1995.

HPDC: Flow Pattern

Short sleeve validation – 시뮬레이션 결과와 주조 부품, Littler Diecast Corporation의 예

Modeling Air Entrapment

디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X-ray vs. FLOW-3D CAST 검증.

디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X- 레이 검증, 380 다이캐스팅 합금. 결과는 혼입 된 공기의 비율로 표시됩니다. X- 레이의 상세한 영역은 최대 다공도 농도를 나타냅니다.

HPDC Filling

FLOW-3D 결과를 실제 부품과 비교하는 HPDC 캐스팅 검증

Short Shot Simulation

실제 주조 부품의 유효성 검사. 스냅 샷과 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과. 왼쪽에서 오른쪽으로 : 변속기 하우징, 오일 팬 및 자동차 부품.

HPDC Air Entrapment Defects

Antrametal에 의한 주조 시뮬레이션 대 실험 결과의 성공적인 비교.

Antmetetal의 고객 검증은 FLOW-3D CAST의 Air Entrapment 모델을 사용하여 실험 결과와 시뮬레이션을 비교 한 결과를 보여줍니다. 세탁기 용 전동 모터의 앞 커버의 HPDC입니다. 공기 관련 결함은 이미지의 색상에 정 성적으로 표시됩니다. FLOW-3D CAST 내의 다른 수치 기능에 의해 포착 된 물리적 공기 포켓 또한 명확하게 표현됩니다.

Core Drying

시뮬레이션과 무기 코어의 건조 실험 사이의 BMW에 의한 비교.

Predicting Die Erosion

캐비테이션으로 인한 다이 침식 영역은 FLOW-3D CAST 결과를 실제 사례와 비교하여 올바르게 배치되었습니다.

Predicting Lost Foam Filling

Lost foam L850 블록 벌크 헤드 슬라이스에 대한 실시간 X-ray 및 FLOW-3D CAST 유동 시뮬레이션 결과의 비교. 시뮬레이션은 GM Powertrain의 예입니다.

Porosity Defects

Porosity due to entrained air

Predicting Shrinkage Porosity

A380 diesel engine block casting

Downloads

FLOW-3D Cast Brochure

Bibliography

Casting of Titanium Alloys in Centrifugal Induction Furnaces
Numerical Analysis of Die-Casting Process in Thin Cavities Using Lubrication Approximation
An Evaluation for Fundamentals of Die Casting Materials Selection and Design
Access the FLOW-3D Bibliography

Models

Cooling Channels
Core Gas
Thermal Stress Evolution
More Modeling Capabilities

Case Studies

Adaption of Parameters in FLOW-3D for the Simulation of the Aluminum Integral Foam Molding Process
Numerical Analysis of Die-Casting Process in Thin Cavities Using Lubrication Approximation
Making the Switch: Improving High Pressure Die Casting Designs with Simulation

Conference Proceedings

FLOW-3D CAST Suites

FLOW-3D CAST v5 comes in Suites of relevant casting processes:

HIGH PRESSURE DIE CASTING SUITE

Process Workspace

High Pressure Die Casting

Features

Thermal Die Cycling
– Cooling/heating channels
– Spray cooling
Filling
– Shot sleeve with Plunger
– Shot motion
– Ladles, stoppers
– Venting efficiency
– PQ^2 analysis
– HPDC machine database
Solidification
– Squeeze pins
Cooling

PERMANENT MOLD CASTING SUITE

Process Workspaces

Permanent Mold Casting
Low Pressure Die Casting
Tilt Pour Casting

Features

Thermal Die Cycling
– Cooling/heating channels
Filling
– Tilt pouring
Solidification
– Squeeze pins
Cooling

SAND CASTING SUITE

Process Workspaces

Sand Casting
Low Pressure Sand Casting

Features

Filling
– Permeable molds
– Moisture evaporation in molds
– Gas generation in cores
– Ladle model
Solidification
– Exothermic sleeves
– Chills
– Cast iron solidification
Cooling

LOST FOAM CASTING SUITE

Process Workspaces

Lost Foam
Sand Casting
Low Pressure Sand Casting

Features

Filling
– Permeable molds
– Moisture evaporation in molds
– Gas generation in cores
– Ladle model
– Lost foam pattern evaporation models (Fast model and Full model)
– Lost foam defect prediction
Solidification
– Exothermic sleeves
– Chills
– Cast iron solidification
Cooling

ALL SUITES INCLUDE THESE CORE FEATURES:

Solver Engine

TruVOF – The most accurate filling simulation tool in the industry
Heat transfer and solidification
Shrinkage – Rapid Shrinkage model and Shrinkage with flow model
Temperature dependent properties
Multi-block meshing including conforming meshes
Turbulence models
Non-Newtonian viscosity (shear thinning/thickening, thixotropic)
Flow tracers
Active Simulation Control with Global Conditions
Surface tension model
Thermal stress analysis with warpage
General moving geometry w/6 DOF

FlowSight

Multi-case analysis
Porosity analysis tool

Defect Prediction Tools

Gas entrainment model
Thermal Modulus output
Hot Spot identification
Micro and macro porosity prediction
Surface defect prediction
Shrinkage
Cavitation and Cavitation Potential
Particle models (Inclusion modeling, collapsed bubble tracking)

User Conveniences

Process-oriented workspaces
Configurable Simulation Monitor
Metal and solid material databases
Heat transfer database
Filter database
Remote solving queues
Quick Analyze/Display tool

냉각 열 응력과 변형 해석

FLOW-3D로 해석한 냉각 열 응력과 변형 시뮬레이션

Flow Science, INC 소속의 AHG Isfahani & JM Brethour기 발표한 FLOW-3D로 냉각 열 응력과 변형을 시뮬레이션 한 결과입니다.

주조 업계에서는 고형화 및 냉각 중 열응력을 예측하고 그 결과로 변형되는 현상을 예측하는 것이 여전히 어려운 과제입니다.

플로우 사이언스는 최근 이러한 종류의 예측을 고객에게 제공하기 위해 FSI(Fuid-Structure Interaction)와 TSE(Thermal Stress Evolution) 모델을 개발했습니다. Fuid-cocus 모델링 포트폴리오에 솔리드 메카니즘이 추가됨에 따라 FLOW-3D*(www.fow3d.com)는 이제 하나의 소프트웨어 패키지에서 완전히 결합된 Auid-structure 상호 작용 모델을 제공하는 몇 안 되는 시뮬레이션 툴 중 하나가 되었습니다.

내장된 유한 요소 분석과 FLOW-3D의 입증된 자유 표면 Aows 기록은 주조 업계에 매력적인 선택입니다. 많은 사용자들이 주조 프로세스를 포함한 유체 구조 상호 작용 문제를 시뮬레이션하기 위해 여러 소프트웨어 패키지를 결합해 왔습니다.

모델 제작자는 Auid 역학을 별도로 해결한 다음 표면 경계 조건을 고체 역학적 패키지로 가져와 응력과 변형을 얻은 다음 변형된 형상을 다시 조류 해결기로 공급하고 주기는 계속됩니다.

이 프로세스의 수동 구현은 지루함을 증명하고 스크립트 및 래퍼를 통해 프로세스를 자동화하는 것은 어려운 일입니다. 게다가, 대부분의 경우 이 커플링은 사례별로 수행되어야 합니다.

FLOW-3D는 이 프로세스의 두 측면을 단일 시뮬레이션의 결과로 두 솔루션이 모두 제공되는 하나의 패키지로 원활하게 통합했습니다.

이 기사에서는 시뮬레이션 결과를 실제 주조 부품의 변형과 비교하는 경우를 제시한다. 부품 및 실험 결과는 Littler Diecast Corporation의 Mark Littler에 의해 제공되었습니다.

Introduction
In the casting industry, the ability to predict thermal stresses and resulting deformations during solidification and cooling continues to be a challenge. Flow Science has recently developed its fuid-structure interaction (FSI) and thermal stress evolution (TSE) models to provide these kinds of predictions to its customers. With the addition of solid mechanics to its existing fuid focused modeling port- folio, FLOW-3D*(www.fow3d.com) is now one of the few simulation tools that provide a fully coupled Auid-structure interaction model within one software package. The built- in finite element analysis along with FLOW-3D’s proven record in free surface Aows makes it an attractive choice to the casting industry. Many users have been coupling multiple software packages in order to simulate fuid-structure interaction problems including casting processes. The modeler solves the Auid mechanics separately, then imports the surface boundary conditions into a solid mechanics package, obtains the stresses and deformations and then feeds the deformed geometry back into the fow solver and the cycle continues. The manual implementation of this process proves tedious and automating it through scripts and wrappers is challeng- ing. Besides, most of the time, this coupling has to be done on a per case basis. FLOW-3D has seamlessly integrated both aspects of this process into one package where both solutions come out as the result of a single simulation. In this article, a case where the simulation results are compared to deformations from an actual cast part is pre- sented. The part and experimental results were provided by Mark Littler of Littler Diecast Corporation.

결론

FLOW-3D는 최근 고체 역학을 컴퓨팅하면서 Auid Aow를 동시에 시뮬레이션하는 기능을 추가했습니다.

업계에서 단일 시뮬레이션 내에서 완전히 결합된 Auid-Structure 상호 작용을 해결할 수 있는 소프트웨어 패키지는 몇 개 되지 않습니다. 이 모델은 선형 후크 모델을 기반으로 하지만 각 시간 단계에서 스트레스가 점진적으로 계산되기 때문에 큰 변형이 가능합니다.

이 방법에서, 각 작은 증가 동안의 응력-변형 관계는 대부분의 경우 선형으로 가정할 수 있다. 또한 다이 및 응고 합금의 온도 의존성 탄성 특성을 지정할 수 있습니다. 이 모델은 열 잔류 응력으로 인해 냉각 중에 부품이 원하는 형상에서 변형되는 주조 업계에 특히 유용합니다.

캐스터는 이러한 변형을 예측하고 다이를 아주 약간만 변화시켜 최종 변형 기하학이 원하는 형태가 되도록 수정합니다.

이 작업은 FLOW-3D 사용자에게 흥미로운 새로운 경로를 제시하며 향후 릴리즈에서 몇 가지 새로운 기능을 제공하는 토대가 됩니다.

그러한 노력에는 플라스틱 변형과 인접한 고체 구성 요소 간, 그리고 고체 구성 요소와 고체화된 Auid 영역 사이의 완전한 결합이 포함됩니다.

Conclusions

FLOW-3D has recently added the capability of simulta- neously simulating the Auid Aow while computing the solid mechanics. There are only a few software packages in the industry that can solve a fully coupled Auid-struc- ture interaction within a single simulation. Although the model is based on a linear Hookean model, large deformations are possible because the stress is computed incrementally during each time step. In this method, the stress-strain relationship during each small incre- ment can be assumed to be linear in most cases. Fur- thermore, temperature-dependent elastic properties of the die and solidified alloy can be specified. This model is particularly beneficial to the casting industry where thermal residual stresses cause the part to deform from the desired geometry during cooling. Casters can predict these deformations and correct for them by changing the die ever so slightly so that in fact the final deformed geometry is the desired shape. This work represents an exciting new path for FLOW- 3D users and serves as a foundation for several new capabilities in future releases. Such efforts will include plastic deformations and full coupling between neigh- boring solid components and between solid components and solidified Auid regions.

Thermal Stress Evolution

FLOW-3D의 열 응력 진화 (TSE) 모델은 모델링 할 수있는 주조 공정의 범위를 확장합니다. FSI / TSE 모델은 주변 유체의 압력 력, 온도 구배 및 지정된 구속 조건에 대한 응답으로 솔리드 및 응고 부품의 모델 응력 및 변형에 대한 유한 요소 접근법을 사용하여 유체와 솔리드 간의 완전 결합 상호 작용을 설명합니다.

불균일 냉각으로 인해 응고 과정에서 열 응력이 발생합니다. 이러한 응력은 주형 벽의 수축과 주조 모양의 불규칙성에 영향을받습니다.

위의 시뮬레이션은 고형 알루미늄 V6 엔진 블록의 Von Mises 응력을 보여줍니다. 이 블록은 강철 다이 내에서 주조 된 알루미늄 A380 합금으로 구성됩니다. 알루미늄의 주입 온도는 527 ° C 였고 초기 다이 온도는 125 ° C였다. 부품을 다이에서 60 초 동안 냉각시킨 후 다이를 열고 주변 조건 (125 ° C)에서 부품을 9 분 동안 계속 냉각시켜 총 10 분의 시뮬레이션 시간을 가졌다. 보여진 폰 미제스 응력은 부품 내부의 전단 응력의 크기를 측정 한 것으로, 파열이 가장 많이 발생하는 부위를 나타냅니다. 응력은 금형과 응고 금속에서 동시에 계산 될 수 있습니다. 메싱은 FLOW-3D의 구조화 된 메쉬를 초기 템플릿으로 사용하여 자동으로 수행 할 수 있습니다. 사용자는 중첩 또는 링크 된 메쉬 블록을 생성하고 V11.0의 새로운 준수 메쉬 기능을 사용하여 메쉬의 로컬 해상도를 제어 할 수 있습니다. 또는 Exodus-II 형식의 타사 메쉬 생성 소프트웨어에서 Finite Element 메쉬를 가져 오는 옵션이 있습니다.

Simulating Thermal Stress

아래 그림은 강철 다이 내에 알루미늄 A380 합금 주물로 구성된 알루미늄 커버입니다. 주입 온도는 654 ℃이고 초기 다이 온도는 240 ℃이다. 부품은 6 초 동안 다이 내에서 냉각되어 부품이 완전히 고화되었다 (러너 시스템 제외). 그런 다음 다이를 열고 부품을 주변 조건 (25 ° C)에서 10 초 더 냉각시켰다. 러너 시스템을 제거한 후 주위 조건에서 10 초간 더 냉각시켰다. 여기에 표시된 일반 변위는 가장 큰 변형 영역을 강조하기 위해 30 번 확대 된 부품 표면의 동작을 나타냅니다.

Component Coupling within the Fluid-Structure Interaction and Thermal Stress Evolution Models

FLOW-3D v11의 새로운 기능은 인접한 유체 구조 상호 작용 (FSI) 구성 요소 및 / 또는 열 응력 진화 (TSE) 응고 유체 영역 사이의 탄성 응력을 허용하는 기존의 유한 요소 역학 해석법으로의 업그레이드입니다. 결합. 이 새로운 기능은 복잡하고 변형이 심한 다중 재료 부품 (예 : 몰드에서 금속 주 조용 응고 또는 바이메탈 게이지)의 열 응력과 변형을 시뮬레이션하고 연결된 유압에서 힘을 시뮬레이션하는 것을 포함하여 풍부한 모델링 가능성을 열어줍니다. 레이디 얼 게이트 및 파이프 라인 지원 시스템과 같은

모델에는 복잡한 프로세스를 효율적으로 계산할 수있는 몇 가지 옵션이 있습니다.

No coupling

이 옵션은 인접한 FSI 구성 요소가 스트레스를 교환하지 않는 단순화 된 사례를 나타냅니다. 이것은 계산 상 효율적이며 구성 요소 간의 응력 상호 작용이 중요하지 않은 시나리오에 적합합니다.

Full coupling

전체 커플 링 옵션은 함께 융합되었지만 재료 특성이 다른 이웃 FSI 구성 요소를 모델링하기위한 것입니다. 두 구성 요소는 서로 떨어져서 당기거나 서로 밀어 낼 수 없지만 인터페이스의 응력은 구성 요소간에 전송됩니다. 이는 바이메탈 스트립과 같은 접합 구조를 모델링하는 데 이상적입니다.

Partial coupling

부분 커플 링 옵션은 인접한 FSI 구성 요소가 마찰 및 수직력을 통해 상호 작용하지만 분리 될 수있는 일반적인 문제를 모델링하기위한 것입니다. 이 옵션은 FSI 구성 요소와 TSE 응고 유체 영역을 결합하는 데 사용할 수 있으므로 다이에서 냉각되는 부품과 주조 부품에 대한 열 응력의 영향을 조사하는 데 이상적입니다.

모델의 새로운 기능을보다 자세히 보여주기 위해 두 가지 시뮬레이션이 제공됩니다. 첫 번째 상황은 전체 커플 링 옵션을 사용하여 시간에 따라 변화하는 온도에 따라 바이메탈 스트립 벤딩을 모델링하는 반면 두 번째 예는 다이 커플 링에서 V6 엔진 블록의 응고 중 열 응력을 보는 부분 커플 링 모델의 사용을 보여줍니다 .

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

전체 커플 링 옵션의 가장 단순한 예 중 하나는 온도 구배에 따른 바이메탈 스트립의 움직임입니다. 이러한 스트립은 두 개의 금속이 온도 변화에 반응하여 동일한 속도로 팽창하지 않기 때문에 열 스위치 및 굴곡에서 일반적으로 사용됩니다. 시뮬레이션에서 모델링 된 바이메탈 스트립은 그림 1에서와 같이 동일 치수의 구리 스트립에 접합 된 길이 15cm, 두께 0.5cm의 강철 스트립으로 구성된 캔틸레버 빔입니다.

그림 1 : 예제 시뮬레이션에 사용 된 바이메탈 스트립의 개략도. 검은 색 화살표는 처짐이 탐지 된 곳을 나타냅니다. 긍정적 인 처짐은 상향이다.
이어서, 스트립을 온도가 70 초 이상 균일하게 변화하는 환경에 두었다. 그림 2는 시뮬레이션을위한 스트립 팁의 편향과 시간 경과에 따른 다양한 온도에서의 분석 솔루션을 보여줍니다. 결과는 온도가 변했을 때와 스트립의 열 관성으로 인한 스트립의 응답 사이의 약간의 지연을 포함하여 몇 가지 흥미로운 특징을 보여줍니다. 이 지연은 해석 솔루션이 온도의 순간 변화를 가정하기 때문에 계산 된 해석 편차와 해석 편향 사이의 타이밍 차이에 영향을 미칩니다. 변위의 진폭 차이는 분석 결과에서 무한히 얇은 스트립의 가정에 기인 할 수 있습니다. 계산 모델의 두께는 장착 지점에서 추가 응력을 추가하여 처짐이 증가합니다.

그림 2 : 시뮬레이션 시간 동안 스트립의 끝에서의 처짐. 플롯에는 해석 적 (밝은 파란색) 및 계산 된 (빨간색) 편향과 스트립의 평균 온도 (진한 파란색)가 표시됩니다.

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

그림 3 : V6 엔진 블록의 온도 프로파일 단면도. 시뮬레이션 시작 7 초.

두 번째 예제 시뮬레이션은 부분 결합 모델을 사용하여 변형 가능한 스틸 다이 내의 금속 주조물에 응력이 발생하는 것을 보여줍니다. 다이의 두 반쪽과 응고 된 유체는 서로 부분적으로 결합되어있어 정상 응력과 마찰을 통해 상호 작용합니다. 이 시뮬레이션은 금형과 주조 부품의 열 응력 변화가 770K의 고 상선 온도 바로 아래에서 293K의 주변 온도까지 냉각되는 것을 보여줍니다. 주조 부품은 A380 알루미늄 합금으로 이루어져 있으며 금형 반은 H-13 강으로 구성됩니다.

캐스트 부품과 주변 다이의 유한 요소 메쉬는 그림 3과 같이 3,665,533 개의 요소와 3,862,378 개의 노드로 구성됩니다. 또한 다이 반쪽과 TSE 응고 된 유체 영역 각각에 대해 서로 다른 메쉬가 표시됩니다. 앞면에있는 빨간색 원은지지 피스톤 (그림에서는 보이지 않음)으로 인한 것입니다.

그림 4는 충진 후 고압 다이 캐스팅 부품 300s의 주조물 온도와 변위 크기로 채색 된 강철 다이 조각을 결합한 이미지를 보여줍니다. 이 시뮬레이션에서, 다이는 응고 알루미늄에 결합되어 응력이 그들 사이에 전달됩니다. 변위 크기는 다이의 에지에서 0에서부터 주조에 인접한 0.1mm 이상까지 다양합니다.

몰드와 응고 된 유체 표면 사이의 계면에서의 응력은 부분적으로 결합되고, 구속 된 수축이 보일 수있다. 그림 4는 시뮬레이션을 통해 주조 부품과 다이 반제품의 절반에 발생하는 변형을 보여줍니다. 다이 반쪽과 주물은 온도가 감소함에 따라 다른 속도로 줄어들므로 간섭 영역에 큰 응력이 발생하고 잠재적 문제 영역이 있음을 나타냅니다. 금형과 부품의 결합 응력을 계산하면 각 부품 내에서 발생하는 응력을 더 잘 예측하고 부품 품질을 개선하고 공구 수명을 연장하는 방법에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

Conclusion

서로 다른 솔리드 오브젝트의 상호 작용은 현대의 설계 및 엔지니어링에서 중요한 부분입니다. FLOW-3D에 대한 FSI 구성 요소와 TSE 응고 유체 영역 간의 새로운 커플 링 옵션을 추가하면 오늘날의 엔지니어가 정기적으로 겪게되는 복잡한 형상을 평가할 수있는 유용한 도구를 제공합니다.

[FLOW-3D 물리모델] Solidification 응고

응고 모델은 열전달이 활성화되고(Physics → Heat Transfer → Fluid internal energy advection) 유체비열(Fluids → Fluid 1 → Thermal Properties → Specific heat)과 전도도(Fluids → Fluid 1 → Thermal Properties → Thermal Conductivity) 이 지정될 때 사용될 수 있다. 단지 유체 1만 상 변화를 겪을 수 있다.

응고모델을 활성화하기 위해 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model 을 체크하고 물성 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model 가지에서 Liquidus temperature, Solidus temperature, 그리고 Latent heat of fusion 를 지정한다. 가장 간단한 모델(Latent Heat Release Definition 에 펼쳐지는 메뉴에서 Linearly with constant 를 선택)에서, 잠열은 물체가 Liquidus 에서 Solidus 온도로 냉각될 때 선형적으로 방출된다. 고상에서의 상변화열을 포함하는, 잠열 방출의 더 자세한 모델을 위해 온도의 함수로 잠열방출을 정의하기 위해 Specific energy vs. temperature 또는 Solid fraction vs. temperature 선택을 사용한다. 이 지정에 대한 더 자세한 내용은 이론 매뉴얼의 Heat of Transformation 를 참조한다.

응고는 유체의 강직성 및 유동저항을 뜻한다. 이 강직성은 두 가지로 모델링 된다. 낮은 고상율에 대해 즉 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Coherent Solid Fraction 의 coherency 점 밑에서는 점도는 고상율의 함수이다. 간섭 고상율보다 큰 고상율에 대해서는 고상율의 함수에 비례하는 항력계수를 갖는 Darcy 형태의 항력이 이용된다. 이 항력은 모멘텀 방정식에 (b_x,b_y,b_z) 로써 추가된다- Momentum Equations 를 보라. 이 항력의 계산은 Solidification Drag Model 에서 기술된다. 항력계수는 사용자가 유동저항에 양을 조절할 수 있는 Coefficient of Solidification Drag 인자를 포함한다. 항력계수는 FLOW-3D 출력에서 기록된 속도에 상응하는 지역 상 평균 속도에 의해 곱해진다.

Fluid 1 Properties)을 지나면 항력은 무한대가 되고 계산격자 관련하여 유동이 있을 수 없다(단 예외로 Moving Solid Phase를 참조).

Note

모든 유체가 완전히 응고하면 모사를 정지시키기 위해 General → Finish condition → Solidified fluid fraction 를 이용한다. General → Finish condition → Finish fraction 은 모사를 중지하기 위한 고상율 값을 정한다.

Drag in the Mushy Zone, Mushy영역 내 항력

주조 시 mushy zone 은 액상과 고상이 혼합물로 존재하는 지역이다. 이 지역 혼합점도는 동축의 수지상 조직(과냉각된 액체 안에서 방사상으로 자라는 결정으로 된 구조) 이 액체 안에서 자유롭게 부유할 때 영향을 미친다.

일단 수지상 조직의 간섭성이 발생하여 고정된 고상 망이 형성되면 액상이 고정된 다공 수지상 구조를 통과해야 하므로 추가의 유동손실이 발생한다. 다른 방법으로는 간섭점을 지난 액/고상 혼합물은 다공물질을 통한 유동 대신에 고점도의 유체로 간주될 수 있다. 점성유체로 간주하는 접근은 예를 들면 연속 이중 롤 주조 과정같이 고상이 계속 이동 및 변형할 때 유용하다.

Solidification Drag Models in FLOW-3D, FLOW-3D 내 응고 항력모델

응고에 의한 항력계수를 정의하기 위해 사용자는 우선 열전달 및 응고모델을 활성화 해야 한다. 이들은 Model Setup → Physics 탭 에서 활성화될 수 있다. 수축모델 또한 응고모델 창에서 활성화될 수 있다.

일단 Solidification 모델이 활성화되면 항력의 공식이 지정될 필요가 있다. Solidification대화의 밑 좌측 모퉁이에서 Porous media drag-based 와 Viscosity-based 의 항력공식 중의 선택을 한다.

- Viscosity-based 공식은 점성 유체로 취급하며 Viscosity 영역 내Flow model for solidified metal 입력 밑에서 지정되는 순수 고상 점성을 갖는 고상화된 유체로 간주된다. 이 접근법은 경직성의 항력모델(즉, 응고 금속이 롤러 사이로 압착될 때)을 사용할 수 없는 경우의 모사에 이용된다. 이 점성은 고상율에 따라 선형으로 변한다.고상율이0일 때 점도는 유체1의 점도이다.고상율이1이면 점도는 Solidification 패널에서 지정된 값과 같다.
- Porous media drag-based 공식은 응고상태를 결정하기 위해 고상율을 사용한다. 고상율이 Critical Solid Fraction 이거나 초과하면 이때 항력은 무한대가 된다-즉, 액상/고상 혼합물은 고체같이 거동한다. 고상율이 Coherent Solid Fraction 보다 작으면 항력은 0이다. 이 두 값 사이에서 유동은 mushy 지역에 있고 이를 통한 유동은 마치 다공질 내에서의 유동같이 처리된다. 또한 모델은 고상율이 Coherent Solid Fraction 보다 작을 때 자동적으로 용융 금속의 점도를 조절한다. 이 상태에서 고상결정은 점도를 올리지만 결합하지는 않는다(즉, 간섭 없음). 일단 유체가 Coherent Solid Fraction 에 도달하면 항력방정식이 고려되고 점도는 간섭성에 도달하기 전의 값으로 일정하게 된다. 임계 및 간섭 고상율은 사용자가 정의하며 논문이나 책 등에서 찾을 수 있다. 이 식에서는 Coefficient of Solidification Drag 가 정의되어야 한다. 이는 Solidification 창 또는 Fluid 1 → Solidification Model→Solidified Fluid 1 Properties tree → Other 트리를열어 Model Setup →Fluids 탭에서 될 수 있다.

How to Calculate Permeability 투과성 계산법

밑에 주어진 Darcy법칙은 수지상 구조를 위한 다공매질내의 수학적 유동기술이다.[Poi87].

(19) $\mathbf{u} = - \frac{K}{\mu} \nabla P$

여기서 u 는 수지상 구조 내 유동의 속도이고 ∇P 는 지역 압력구배, 그리고 K 는 mushy 구역의 특정 투수성이다. 이 방정식은 단지 유동이 거의 정상 상태이고, 관성효과가 없으며 유체의 체적율이 일정하고 균일하며 액체-액체의 상호작용 힘이 없을 때 유효하다. 투수성을 정의하는데 이용될 수 있는 대 여섯 개의 모델이 있으나 FLOW-3D 는 밑에 보여주는 Blake-Kozeny 을 이용한다. 다른 모델들은 코드와 함께 제공되는 소스코드를 사용자 사양에 맞게 수정하여 추가할 수 있다.

(20) $\mathbf{u} = -C_2 \left( \frac{\lambda_1^2 (1-f_s)^3}{\mu f_s^2} \right) \left( \nabla P - \rho \mathbf{g} \right)$

여기서

C₂는 전형적으로 와 같은 비틀림

f_s는 고상율이고

λ₁는 유동을 위한 특정 치수

이 응용에서 수지상 가지 간격(DAS)이 이용된다.

식 (11.19) 을 식(11.20) 에 적용하면 투수성을 위한 다음 식을 얻는다.

(21) $K = \lambda_1^2 \frac{(1-f_s)^3}{180f_s^2}$

수지상 가지 간격(DAS)에 대한 일반적인 값들은 밑에 주어져 있다.

Range of Cooling Rates in Solidification Processes¶
COOLING RATE, K/s	PRODUCTION PROCESSES	DENDRITE ARM SPACING, $\mu m$
$10^{-4}$ to $10^{-2}$	large castings	5000 to 200
$10^{-2}$ to $10^3$	small castings, continuous castings, die castings, strip castings, coarse powder atomization	200 to 5
$10^3$ to $10^9$	fine powder atomization, melt spinning, spray deposition, electron beam or laser surface melting	5 to 0.05

Range of cooling rates in solidification processes [CF85]

How FLOW-3D Defines the Coefficient of Solidification Drag FLOW-3D 가 응고 항력계수를 결정하는법

FLOW-3D 는 액고상 변화를 모델링하기 위해 다공매질항력을 이용한다. 항력은 고상율의 함수이다. 사용자에게 두 수축모델이 이용 가능하다; 급속 수축 모델 과 완전 유동모델. 급속 수축 모델은 상변화와 연관된 체적변화를 고려하지 않으며 유체는 정지해 있다고 가정한다. 완전 유동모델은 상변화가 관련된 체적변화를 고려한다. 항력은 투수성에 역으로 비례하므로 다음과 같이 표현될 수 있다.

(22) $K = \frac{\mu}{\rho F_d}$

여기서, F_d는 FLOW-3D 에서 사용된 항력계수이다. 이 항력계수는 지역 속도에 의해 곱해지고 모멘텀 방정식의 오른쪽에서 차감된다 (Momentum Equations 참조). 식 (11.22) 를 재정리하고 식 (11.21) 로부터의 투수성에 치환하면 다음을 얻는다.

The Coefficient of Solidification Drag: $\text{TSDRG}=\frac{180 \mu}{\lambda_1^2\rho }$ ,
The drag force: $F_d = \mbox{TSDRG} \frac{ f_s^2}{(1-f_s)^3}$ .

Macro-Segregation during Alloy Solidification 합금응고시 거시적 편절

편절 모델은 대류와 확산에 의한 용질 이동에 따른 이원합금 요소에서의 변화를 모델링 하도록 되어 있다. 이 모델링은 Physics → Solidification 로 부터 될 수 있다.

Activate binary alloy segregation model 을 체크하고 편절 모델을 활성화한다.

여러 온도에서 평형에 있는2원합금 요소농도를 정의하는 상태도는 직선의 고상선 및 액상선을 가진다고 가정된다. 상태도는 입력데이터에 의해 구성되고 전처리 그림파일 prpplt 에 포함된다. Analyze → Existing 에서 이용 가능하다

Macro-Segregation Model (under Fluids → Fluid 1 → Solidification Model)에 관련된 일부 유체물성 트리가 밑에 보여진다. 상태도는 Reference Solute Concentration 에서의 the Solidus 와 Liquidus Temperatures 값들에 의해 정의된다. 추가로 Concentration Variables 밑의 Partition coefficient 도 정의되어야 한다. 그렇지 않으면 Pure Solvent Melting Temperature 가 정의될 수 있다. Partition coefficient 와 Pure Solvent Melting Temperature 둘 다가 지정되면 용매 용융 온도는 상태도로부터 재 정의된다.

Eutectic Temperature 또는 Eutectic Concentration 는 융해작용을 정의하기 위해 지정될 수 있다. 또 이 두 변수가 다 지정되면 Eutectic Concentration 은 상태도에서 재 정의된다.

Diffusion Coefficients 는 고상과 액상 사이의 용질의 확산계수 비율을 정의한다. 액체 내의 용질의 분자 확산계수는 Physics → Solidification 에서 specifying Solute diffusion coefficient 를 지정함으로써 정해진다. RMSEG 는 용질의 난류 확산계수 승수를 정의한다; 이는 입력파일에서 직접 지정된다.

용질 재 분배에 의한 농도변화가 중요하면 Physics → Density evaluation → Density evaluated as a function of other quantities를 정하고 용질농도의 선형함수로써 금속농도를 정의하기 위해 Fluids → Segregation model 밑의 Solutal Expansion Coefficient 를 용질 확장계수로 지정한다. 이 경우 Reference Solute Concentration 이 기준농도로 사용될 것이다. 추가로 Fluids → Fluid 1 → Density Properties → Volumetric Thermal Expansion 은 액체 내 열부력 효과를 참작하기 위해 지정될 수 있다(또한 Buoyant Flow참조).

초기 용질농도는 Meshing & Geometry → Initial → Global → Uniform alloy solute concentration 에서 지정될 수 있다. 불 균일한 초기 분포는 Alloy solute concentration 밑의 초기유체 구역 안에서 정의될 수 있다. 추가로 농도는 Initial Conditions: Region Values 에서 기술된 바와 같이 2차함수를 사용하는 부분을 편집하여 공간상의2차함수로 변화할 수 있다. 압력과속도 경계에서 용질 경계조건을 정하기 위해 Boundaries → Boundary face → Solute concentration 를 이용한다.

액상 및 고상 구성은 후처리에서 데이터 변환을 이용하여 그려질 수 있다. 용융 응고금속은 금속 내 용융의 질량 분율을 저장하는 SLDEUT 를 그림으로써 가시화될 수 있다.

액상 내 열구배가 크면 Physics → Heat Transfer → Second order monotonicity preserving 를 지정함으로써 더 나은 정확성을 위해 고차원 이류법을 사용한다.

mushy 지역에서의 유동손실은 수지상 가지 간격(DAS)의 함수인 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Coefficient of Solidification Drag 에 의해 조절된다. 후자는 이 모델에 의해 계산되지 않으므로 사용자는 Coefficient of Solidification Drag 를 지정해야 한다

Note

표준 응고모델 과는 달리 상태도상의 용융점을 지나 고상선을 외삽하여 정의되므로 여기서 응고선의 값은 음수일 수 있다.

Microporosity Formation 미세다공형성

미세다공모델은 단지 응고(Solidification참조)를 모델링할 때 사용될 수 있고 Physics → Solidification → Activate micro-porosity model 에서 활성화된다. 필요한 입력은 Fluids → Densities → Fluid 1 and Fluids → Solidification Properties → Solidified Fluid 1 Properties → Density 에서 정의되는 액체와 고상 유체밀도이며 고상유체밀도는 액체밀도보다 크다. 또한 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties 안에 있는 Critical Solid Fraction 은 1.0보다작게 설정되어야 한다.

Square of the speed of sound at critical solid fraction 값이 정의될 수 있다. 이는 수축에 의해 mushy 지역에서 전개되는 커다란 음압에서의 응고유체의 압축성을 기술한다. Critical pressure at which gas pores can form 값은 모델이 Initial tab 탭에서 또는 재 시작 데이터에서 정의되는 유체내의 초기 압력과 결합되도록 한다.

Intensification pressure 또한 다공 생성을 지연시키기 위해 응고 시 shot sleeve plunger 에 의해 형성되는 추가압력을 고려하기 위한 고압 주조모사를 위해 정의될 수 있다. Intensification pressure 가 클수록 더 적은 양의 다공이 주조 시 응고 과정에서 발생할 것이다.

미세 다공 모델은 응고 모델의 활성화 이외의 어떤 다른 설정을 필요로 하지 않는다. 이는 완전 유동방정식이나 속도장이 0인 경우, 즉 순수한 열 문제에서도 함께 사용될 수 있다.

이 모델은 후처리 과정의 공간 및 이력에서 사용 가능한 Percent micro-porosity 라고 불리는 추가 출력 양을 생성한다.

Note

A Flow Science technical note on modeling micro-porosity (TN66) can be found at http://users.flow3d.com/technical-notes/.

Moving Solid Phase 이동고상

MAIN VARIABLES:

OBS:

IFOB, UTOBS, VTOBS, WTOBS

이동고상 선택은 연속주조 모델링을 가능하게 한다. Continuous Casting Phantom 요소는 응고된 이동 유체가 있는 지역에서 정의된다. 이는 지정된 영역을 차지하지만 정의에만 존재하므로 환영요소라고 한다. 이는 실제로 면적이나 체적을 차지하지 않으므로 체적이 없고 결과에서도 고체요소로 보이지 않는다. 이는 Meshing & Geometry → Geometry → Component → Component Type 옆 펼쳐지는 메뉴에서 정의된다.

다른 방법으로는 입력파일(prepin.*)에서 IFOB(N) 변수가 4로 지정되고 N 은 요소 번호이다. 이 파일은 File → Edit Simulation…. 을 선택하여 이용될 수 있다. 또한 입력파일에서 시간의 함수(TOBS(t) 에 의해 지정되는)일 수 있는 가상 요소의 속도성분 UTOBS(t,N), VTOBS(t,N) 그리고 WTOBS(t,N) 이 지정된다.

Fluids → Fluid 1 → Solidification Properties → Solidified Fluid 1 Properties → Coherent Solid Fraction 에 의해 정의된 간섭 고상율 보다 큰 고상율에 대해서는 Darcy 형태의 항력 이 유체를 가상 요소의 속도로 움직이게 하는데 사용된다. 고상율이 Fluids → Fluid 1 → Solidification Properties → Solidified Fluid 1 Properties → Critical Solid Fraction 에서 지정된 경직점을 능가하게 되면 가상 요소의 속도를 따라 움직일 것이다.

Note

가상 요소는 요소 그림에 안 나타나나 Component number 를 그릴 때는 보여진다.가상 요소는 균일속도가 요소의 전체에 적용되므로 평평해야 한다.

Solidification Shrinkage 응고수축

체적 수축은 소재가 응고하고 응고소재의 밀도가 액체소재의 밀도보다 클 때 나타난다(즉, Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Density > Fluids → Fluid 1 → Density Properties → Density). 수축모델은 그러므로 Solidification 모델이 활성화되어야 하고 고상/액상의 두 밀도가 정의되어야 한다. 수축은 단지 1유체의 뚜렷한 경계면 문제에서만 모델링 될 수 있다.

두 가지 수축모델이 있다. Shrinkage model with flow effects 를 선택하면 완전 열 유체방정식을 해석한다(이론 매뉴얼의Solidification Shrinkage and Porosity Models 참조). 그러나 이 모델은 특히 장시간의 응고가 고려되면 컴퓨터 계산시간이 많이 소요된다. 다른 방법으로 사용자 Interface 에 Shrinkage model 이라고 불리는 단순모델이 있다.

이 모델은 단지 열전달 방정식의 해석에 의존하며 특히 내재적 열전달 모델 (Numerics → Explicit/implicit options → Heat transfer → Implicit –Thermal solution 참조)과 사용시에 빨리 해석할 수 있다. 액체 체적 내로의 유동 통로가 없을 때 내부공동이 발생한다.

이 두 모델에서 유입은 mushy 지역 유동에 대한 항력계수를 계산함으로써 정의된다. 격자 내 모든 점에서의 항력함수는 상수승수 Fluids → Solidification properties → Other → Coefficient of Solidification Drag (Solidification Drag Model 참조)를 가지는 지역 고상율의 함수로 계산된다. 항력함수의 역의 값은 공간 그림에서 가시화 될 수 있다: 이 그림을 위한 변수이름은 ‘drag coefficient’ 이다.

Mushy 지역에서의 커다란 유동 손실에 따른 부분적 유입이 Shrinkage model with flow effects 에서 발생할 수 있지만 단순화된 Shrinkage model 은 완전 유입이 아니면 유입이 없게 된다. 후자는 유입 통로를 따라 지역 고상율이 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Critical Solid Fraction (디폴트는1.0)에서 정의된 임계값보다 커질 때 발생한다. 추가로 고립된 액체 내의 금속의 고상율이 Coherent Solid Fraction 에 도달할 때까지 단순모델에서의 유입은 고립부 상부로부터 발생한다. 그 후로는 유입이 고립부의 가장 뜨거운 부분에서부터 발생한다.

모든 유체가 완전히 응고되면 모사가 정지하도록 General → Additional finish condition → Solidified fluid fraction 를 사용한다. 변수 Finish fraction 는 유체가 지정된 고상율에 도달할 때 모사가 정지하도록 하는데 사용될 수 있다.

$Solid fraction finish condition$

Note

이송 방향을 결정하기 위해 단순 수축 모델에서 중력이 필요하며 좌표축 중 하나를 따라야합니다. 둘 이상의 중력 구성 요소가 0이 아닌 경우, 가장 큰 중력 구성 요소가 공급 방향을 결정하는 데 사용됩니다.

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

FLOW-3D의 TSE(Thermalstressdiversion)모델은 모델링 가능한 주조 프로세스의 범위를 확장합니다. FSI/SETSE모델은 주변 유체, 열 구배 및 지정된 구속 조건의 압력에 대응하여 솔리드 및 단단한 구성 요소의 응력 및 변형을 모델링 하는 유한 요소 접근 방식을 사용하여 유체와 솔리드 사이의 완전 결합 상호 작용을 설명합니다.

균일하지 않은 냉각에 의해 발생하는 응고 과정 동안 열 스트레스가 발생합니다. 이러한 응력은 주형 벽의 수축 및 주물 형상의 불규칙에 의해 영향을 받습니다.
Von Mises stresses in a solidified aluminum V6 engine block

위의 시뮬레이션은 VonMises가 단단한 알루미늄 V6엔진 블록에서 응력을 나타냅니다. 이 블록은 강철 다이 내에서 주조된 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다.

알루미늄의 주입 온도는 527°C였으며 초기 다이 온도는 125°C였습니다. 부품을 60초 동안 다이 내에서 냉각한 후 주변 조건(125°C)에서 9분 동안 부품을 계속 냉각시켜 총 10분의 시뮬레이션 시간을 제공했습니다. 표시된 VonMises 응력은 부품 내 전단 응력의 크기를 측정한 것이며, 따라서 찢어지기 쉬운 부위를 보여 줍니다.

응력은 금형과 응고 금속에서 동시에 계산할 수 있습니다. FLOW-3D의 구조화된 메쉬를 초기 템플릿으로 사용하여 자동으로 메쉬 작업을 수행할 수 있습니다. 사용자는 중첩 또는 링크된 메쉬 블록을 만들고 V1.1.0의 새로운 적합한 메쉬 기능을 사용하여 메쉬의 로컬 해상도를 제어할 수 있습니다. 또는, Exodus-II형식의 타사 메쉬 생성 소프트웨어에서 유한 요소 메쉬를 가져올 수 있습니다.

Simulating Thermal Stress

아래에 표시된 알루미늄 커버는 강철 다이 내 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다. 주입 온도는 654°C였으며 초기 다이 온도는 240°C였습니다. 부품이 다이 내에서 6s동안 냉각되었으며 이때 부품이 완전히 경화되었습니다(러너 시스템 제외). 그런 다음 다이를 열고 부품이 주변 조건(25°C)에서 10초 이상 냉각되도록 했습니다. 그런 다음 탕도(runner)시스템을 제거했고, 이후 주변 조건에서 10초간 더 냉각했습니다. 여기에 표시된 정상 변위는 부품 표면의 움직임을 나타내며, 최대 변형 영역을 강조하기 위해 30회 증폭됩니다.

Displacements in a die cast part, die closed.

Displacements in the part and runners, die open.

Displacements in the part with runner system removed.

Component Coupling within the Fluid-Structure Interaction and Thermal Stress Evolution Models

FLOW-3Dv11의 새로운 기능은 인접한 FSI(유체-구조물 상호 작용)구성 요소 및/또는 TSE(열 스트레스 진화)고체화된 유체 영역 간의 탄성 응력을 결합할 수 있는 기존의 유한 요소 고체 역학 용제의 업그레이드입니다. 이 새로운 기능은 복합 재료 부품(예:주형에서 응고되는 금속 주물 응고제 또는 바이메탈 게이지)의 열 응력과 변형을 시뮬레이션하고 반경 게이트 및 파이프 라인 지지 시스템과 같은 연결된 유압 구조에 가해지는 힘을 시뮬레이션하는 등 다양한 모델링 가능성을 열어 줍니다.

모델에는 복잡한 프로세스를 효율적으로 계산할 수 있는 여러가지 옵션이 있습니다.

No coupling

이 옵션은 인접 FSI구성 요소가 응력을 교환하지 않는 단순화된 경우를 나타냅니다. 그것은 계산적으로 효율적이며 요소들 간의 스트레스 상호 작용이 중요하지 않은 시나리오에 적합하다.

Full coupling

전체 커플링 옵션은 서로 다른 재료 특성을 가진 인접 FSI구성 요소를 모델링 하기 위한 것입니다. 두 구성 요소는 서로 당기거나 미끄러질 수 없지만 인터페이스의 응력은 구성 요소 간에 전달됩니다. 이는 바이메탈과 같이 접합된 구조물을 모델링 하는 데 이상적입니다.

Partial coupling

부분 커플링 옵션은 인접 FSI구성 요소가 마찰력과 정상적인 힘을 통해 상호 작용하지만 분리될 수 있는 일반적인 문제를 모델링 하기 위한 것. 이 옵션은 FSI구성 요소와 TSE의 고체화된 유체 영역을 결합하는 데 사용될 수 있으므로 부품이 다이에서 냉각될 때 주조 부품 및 다이에 대한 열 응력의 영향을 조사하는 데 이상적입니다.

두가지 시뮬레이션이 제시되어 모델의 새로운 특징을 보다 자세히 보여 줍니다. 첫번째 상황에서는 완전한 커플링 옵션을 사용하여 시간이 변화하는 온도에 대응하여 바이메탈 벤딩을 모델링 하는 반면, 두번째 예에서는 다이에서 V6엔진 블록을 응고하는 동안 부분 커플링 모델을 사용하여 열 응력을 확인하는 것을 보여 줍니다.

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

전체 커플링 옵션의 가장 간단한 예 중 하나는 온도 구배에 대한 반응으로 바이메탈이 움직이는 것입니다. 이러한 스트립은 온도 변화에 대응하여 두 금속이 동일한 속도로 팽창하지 않기 때문에 열 스위치 및 벤딩에 일반적으로 사용됩니다. 시뮬레이션에서 모델링 된 바이메탈은 그림 1과 같이 길이 15cm, 두께 0.5cm의 강철 스트립으로 구성된 캔틸레버 빔입니다.

그리고 나서 스트립은 온도가 70초에 걸쳐 균일하게 변화하는 환경에 배치되었다. 그림 2는 시간 경과에 따른 다양한 온도에서 시뮬레이션 및 분석 용액을 위한 스트립 팁의 편향을 보여 준다. 결과는 온도가 변한 시기와 스트립의 열적 관성으로 인한 스트립의 반응 사이의 약간의 지연을 포함하여 몇가지 흥미로운 특징을 보여 준다. 이러한 지연은 분석 솔루션이 온도의 즉각적인 변화를 가정하기 때문에 계산된 편향과 분석적 편향 사이의 타이밍 차이에도 영향을 미친다. 변위의 진폭 차이는 분석 결과에서 무한대의 얇은 스트립의 가정에 기인할 수 있다. 계산 모델의 두께는 장착 지점에 응력을 추가하여 편향을 증가시킵니다.

Bimetallic deflection plot FLOW-3D — 그림 2:스트립의 끝에서 시뮬레이션 시간에 걸쳐 처짐. 그림에 표시된 것은 스트립의 평균 온도( 진한 파란 색)뿐만 아니라 분석적( 연한 파란 색)및 계산( 빨간 색)편향입니다.

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

Figure 3: V6 엔진 블록의 온도 프로파일 단면도. 시뮬레이션 시작 7 초.

두번째 예제 시뮬레이션에서는 부분 커플링 모델을 사용하여 변형 가능한 강철 다이 내 금속 주물의 응력 개발을 보여 줍니다. 다이의 두 절반과 응고된 유체는 부분적으로 서로 결합되어 정상적인 응력과 마찰을 통해 상호 작용합니다. 시뮬레이션은 다이와 주물 부품의 열 응력 변화를 770,000 K의 solidus온도 바로 아래에서 298K의 주변 온도로 냉각하는 모습을 보여 줍니다. 주물 부분은 A380알루미늄 합금으로 구성되어 있고 다이 반쪽은 H-13강철로 구성되어 있습니다.

주조 부품과 주변 다이의 유한 요소 메시는 그림 3과 같이 3,665,533 요소와 3,862,378개 노드로 구성됩니다. 또한 각 다이의 절반에 대해 분리된 메쉬와 TSE고형화된 유체 영역도 나와 있습니다. 전면의 빨간 색 원은 서포트 피스톤 때문입니다(그림과 같이 표시되지 않음).

Thermal stress model — Figure 4 는 채워진 후 고압 다이 캐스팅 부품 300s의 주조물 온도와 변위 크기로 채색 된 강철 다이 조각을 결합한 이미지를 보여줍니다. 이 시뮬레이션에서, 다이는 응고하는 알루미늄에 연결되어 응력이 그들 사이에 전달됩니다. 변위 크기는 다이의 에지에서 0에서부터 주조에 인접한 0.1mm 이상까지 다양합니다.

금형과 응고된 유체 표면 사이의 경계면에서 발생하는 응력이 부분적으로 결합되어 제한된 수축을 확인할 수 있습니다. 그림 4는 시뮬레이션을 통해 주형 부분의 변형과 다이 부분의 절반의 변형을 보여 줍니다. 온도가 감소함에 따라 다이 캐스트와 주물이 서로 다른 속도로 수축하여 간섭 영역에 큰 응력이 발생하고 잠재적인 문제 영역이 나타납니다. 다이와 부품에서 결합된 응력을 계산하면 사용자가 각 구성 요소 내에서 발생하는 응력을 더 잘 예측하고 부품 품질을 개선하고 도구 수명을 연장하는 방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

Conclusion

다른 단단한 물체들의 상호 작용은 현대 디자인과 공학의 중요한 부분입니다. FSI구성 요소와 TSE고정 유체 영역 간의 새로운 결합 옵션이 FLOW-3D에 추가되어 오늘날의 엔지니어들이 정기적으로 접하는 복잡한 기하학적 구조를 평가하는 데 유용한 도구가 되었습니다.

다이 스프레이 냉각 / Die Spray Cooling

열 다이 사이클링 시뮬레이션에서 다이의 온도 분포를 정확하게 예측하려면 스프레이 냉각의 공간 변화를 모델링해야 합니다. 새로운 다이 스프레이 냉각 모델은 이러한 목적으로 개발되었으며 현재 FLOW-3D의 최신 버전에서 사용할 수 있습니다. 이 모델은 전체 다이 캐비티에 걸쳐 일정한 열 전달 계수를 가정하는 대신 각 스프레이의 냉각을 명시적으로 계산합니다. 다이 표면의 스프레이 영역은 스프레이 노즐의 움직임으로 인해 지속적으로 계산되고 업데이트됩니다. 또한 모델은 분무되는 유체의 차단을 고려하여 살수 각도와 다이 표면의 형태로 인해 냉각에 미치는 영향을 고려한다. 새로운 모델은 안정적이고 현실적인 입력 매개 변수를 사용하여 다이 표면에 정확한 온도 분포를 제공하여 엔지니어가 냉각 프로세스를 보다 효율적으로 설계하고 최적화하여 핫 스팟을 제거할 수 있도록 도와 줍니다.

스프레이 구역 계산 / Spray Area Computation

새 모델에서는 다이 표면의 형상과 분무 노즐 위치가 살수 냉각에 미치는 영향을 고려합니다. 아래 그림과 같이 다이 표면에 분사되는 일부 영역은 막히고 일부 영역은 2개 이상의 스프레이로 덮여 있습니다. 이러한 영역은 다양한 스프레이 냉각 효과를 구별하기 위해 광선 추적 알고리즘을 사용하여 계산하고 식별합니다. 스프레이 영역은 FlowSight^TM에서 시각화할 수 있으며, 스프레이 냉각을 통해 유닛 영역별로 제거된 총 분사 시간 및 총 열 등의 다른 특성도 확인할 수 있습니다.

열 전달 계수 결정 / Heat Transfer Coefficient Determination

스프레이 냉각 메커니즘은 복잡하며 스프레이 냉각 열전달 계수 (HTC)는 스프레이 모양, 냉각수 유량, 스프레이 압력, 금형 온도, 스프레이 각도 및 스프레이 거리와 같은 다양한 변수에 따라 달라집니다. 스프레이 냉각 HTC 계산을 단순화하기 위해, 모든 스프레이 표면 요소에 대해 HTC는 기본 요소 HTC에 종속 요소 (예 : 원추형 스프레이)를 곱하여 계산됩니다.

스프레이 냉각 메커니즘은 복잡하며, 스프레이 냉각 열 전달 계수(HTC)는 스프레이 형태, 냉각수 유량, 스프레이 압력, 금형 온도, 스프레이 각도, 스프레이 거리 등 다양한 변수에 따라 달라집니다. 스프레이 냉각 HTC의 계산을 단순화하기 위해 모든 스프레이 표면 요소에 대해 HTC는 기본 HTC에 원뿔형 스프레이의 경우와 같은 의존성 요인을 곱한 후 계산됩니다.

$\displaystyle HTC=HT{{C}_{0}}(T)\cdot {{f}_{d}}(d)\cdot {{f}_{b}}(\beta )\cdot {{f}_{e}}(\varepsilon )$

여기에서

₀HTCHTC는 노즐이 지정된 거리에서 몰드에 분사할 때 기본 스프레이 열 전달 계수입니다. 기준 열 전달 계수는 분무 콘의 특성, 살수 매체 및 살수 압력 등에 따라 달라지며, 주형 표면 온도의 함수입니다.
_dff는 거리 d종속 인자 함수이다.
_bff는 살수 각도β의존적 인자 함수이다.
_eff는(표면 법선과 살수 방향 사이의)살수 각도이며, Eu의존적 인자 함수이다.

스프레이 거리 d와 스프레이 각도 β 및 ε의 의미는 아래 그림과 같습니다

Spray distance and angle

기본 열 전달 계수 및 의존 계수 함수는 이론 또는 경험으로부터 유도 된 실험 측정으로부터 곡선 맞춤을 할 수 있습니다. 스프레이가 원추형이 아닌 경우 종속 요소가 다를 수 있습니다.

스프레이 노즐 정의 / Spray Nozzles Definition

분무 노즐은 뱅크로 분류된다. 동일한 뱅크의 노즐은 스프레이 콘 각도와 같은 특성을 가지고 있다. 또한, 동일한 살수 매체 온도와 동일한 그룹의 다이 구성 요소에 분사하고, 동일한 상태 제어 표를 공유하며, 동일한 열 전달 계수 기능을 가진다.

모든 스프레이 노즐 뱅크는 사실상 동일한 로봇 암에 장착됩니다. 로봇 암의 변환 및 회전 이동은 FLOW–3D 에서 지정할 수 있습니다. 모션 데이터가 외부 파일에 저장된 경우 외부 파일에서 가져오거나 연결할 수 있습니다. 스프레이 기계에 프로그래밍된 제어 데이터를 모델에 직접 사용할 수 있기 때문에 외부 파일을 가져오거나 연결할 수 있으면 입력이 상당히 간단해 집니다.

노즐 속성은 노즐 데이터베이스에서 직접 읽을 수 있습니다. 열 전달 계수 기능은 스프레이 콘 각도를 포함한 스프레이 콘 특성에 따라 달라지기 때문에 노즐 데이터베이스에 포함된 모든 노즐 특성의 일부입니다. 데이터베이스에 노즐이 정의되어 있지 않으면 그 속성을 직접 입력할 수 있습니다. 열 전달 계수 기능은 상수이거나 표로 정의할 수 있습니다. 다른 테이블 입력과 마찬가지로 데이터를 외부 파일에 연결할 수 있습니다. 동일한 노즐을 자주 사용하는 경우 재료 데이터베이스에 새 재료를 추가하는 것과 유사하게 해당 특성을 노즐 데이터베이스에 쉽게 추가할 수 있습니다.

각 노즐에 대해 스프레이 출처 및 엔드 좌표 또는 스프레이 방향을 정의해야 합니다. 노즐 위치가 미리 설계되어 있고 데이터를 사용할 수 있거나 노즐 수가 상대적으로 많을 경우 외부 파일에서 이 위치를 읽을 수 있습니다. 노즐 수가 적으면 위치를 대화식으로 선택하고 표 형식으로 입력할 수 있습니다.

Sample Results

새로운 모델의 성능과 다이 스프레이 프로세스를 명시적으로 시뮬레이션하는 것의 중요성을 입증하기 위해 사례 연구가 수행되었습니다. 이는 큰 치수와 얇은 벽 두께를 가진 차량 구조 부품의 생산에 기초한다. 이젝터 다이의 다이 표면 안에 세개의 열전대가 배치됩니다. 위치는 다음 그림에 나와 있습니다. 첫번째 열전대는 주조 영역의 다이 표면에 배치됩니다. 두번째 열전대는 캐비티 밖에서 정의됩니다. 따라서 용해된 부분은 접촉하지 않지만 분사 과정 중에는 냉각되는 부분이 있습니다. 세번째 열전대는 비스킷에 있는데, 이것은 다이 내부의 핫 스폿입니다.

시뮬레이션은 5개의 사이클을 기반으로 하며, 각 사이클은 응고, 방출, 스프레이 냉각 및 주거라는 4개의 세그먼트로 정의됩니다. 전체 다이 캐비티에 걸쳐 일정한 열 전달 계수를 가정하는 암시적 다이 스프레이 냉각 시뮬레이션에서는 실제 공정 값을 사용할 수 없으므로 항상 스프레이의 평균 시간을 추정하기가 어렵습니다. 이 사례 연구에서는 열전대 1의 온도가 측정과 일치하도록 평균 시간을 추정하고 조정합니다. 반대로 각 스프레이 노즐의 냉각을 명시적으로 시뮬레이션하는 새로운 스프레이 냉각 모델의 경우, 실제 분사 프로세스에는 모든 시간 값이 포함되어 있어 시뮬레이션에 직접 전달될 수 있습니다. 이는 새로운 다이 스프레이 냉각 모델의 장점 중 하나입니다.

아래의 첫번째 애니메이션은 스프레이 냉각 중 다이 표면의 스프레이 영역을 보여 줍니다. 두번째 애니메이션은 다섯번째 주기에서 스프레이 냉각 중의 다이 표면 온도를 보여 줍니다. 글로벌 스프레이 및 핫 스팟 스프레이의 효과를 명확하게 확인할 수 있습니다.

Spray area during spray cooling. Simulation courtesy of Audi AG.

Die surface temperature at the fifth cycle of spray cooling. Simulation courtesy of Audi AG.

다섯번째 사이클 동안 세개의 열전대 온도가 다음 그림에 표시되어 있습니다. 실선은 암시적 모델의 결과를 나타내고 점선은 새로운 다이 스프레이 냉각 모델의 결과를 나타냅니다. 사이클이 끝날 때 세개의 열전대의 온도 차이도 표시됩니다. 암시적 모델에서 열전대 1의 온도를 일치시키기 위해 비스킷 영역이 지나치게 냉각되어 열전대 3에서 다이 온도의 90°C차이가 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 극적인 차이입니다. 다이 캐스터의 경우 비스킷의 온도는 다이 캐스팅 프로세스에서 매우 민감한 온도입니다. 사이클이 끝날 때 캐비티(열전대 2)외부의 온도 차이는 20°C입니다. 이러한 값은 실제 공정에서 우수한 품질의 주물이 생산되거나 사출 중에 다이에 응고되는지 여부를 결정합니다. 다이 스프레이 냉각 프로세스의 명확한 시뮬레이션은 정확한 다이 온도 분포를 예측하는 데 매우 중요합니다.

Temperatures thermocouples - die spray cooling model

Conclusions

새로운 다이 스프레이 냉각 모델은 몰드 표면 형태의 영향과 스프레이 노즐의 위치 및 움직임을 고려하여 FLOW-3D 사용자에게 다이 준비의 모든 측면을 모델링 할 수 있는 능력을 제공합니다. 또한 열 다이 사이클 시뮬레이션을 위한 신뢰할 수 있고 사실적인 입력 파라미터를 사용하여 다이 표면의 정확한 온도 분포를 정확하게 예측할 수 있습니다. 이를 통해 금속 주물 엔지니어는 다이의 내부 냉각 구조와 스프레이 냉각 매개 변수를 보다 효율적으로 설계하고 평가할 수 있습니다.

References

Müller, et al., A die spray cooling model for thermal die cycling simulations, Transactions of NADCA 2015 Die Casting Congress & Exposition, Indianapolis, T15-101, 2015

코어 가스 / Core Gas

코어를 이용한 주조 모델링

모래의 화학 결합제는 용해된 금속에 의해 가열될 때 가스를 생성할 수 있으며, 적절히 환기되지 않을 경우 가스가 금속으로 흘러 들어가 기체 다공성 결함을 초래할 수 있습니다. 이는 빠르게 가열되고 환기 경로가 긴 주물의 얇은 내부 특징을 형성하는 코어에서 가장 가능성이 높습니다. FLOW-3D의 핵심 가스 모델은 이러한 가스 결함 가능성을 예측하고 코어에서 모든 결합제 제품 가스를 안전하게 배출할 수 있는 코어 환기를 설계하는 데 도움이 됩니다.

알루미늄 및 철 주조의 결함 모델링

Core Gas 모델은 철 주물 (그림 1)과 알루미늄 주물 (그림 2) 모두에서 수지 결합 코어의 결함을 예측합니다. 충전 및 응고 모델과 동시에 작동하고 주조 충전 중 및 충전 후 바인더 가스 생성 및 흐름을 계산합니다.

그림 1 : 열린 플라스크 부분 V8 Al 블록 어셈블리 채우기. 두 개의 코어는 블록의 워터 재킷 공동을 형성합니다. 플라스크 바닥에 Al이 20 초 안에 채워집니다.

그림 2 : 환기가되지 않을 때 워터 재킷 코어는 충전 중에 금속에 가스를 불어 넣습니다 (그림 2b).

주철 / Cast Iron

Carbide (red) and graphite (blue) rich areas in a solidified gray iron casting.

FLOW-3D‘의 주철 모델은 hypo 및 hyper-eutectic 철-탄소-실리콘 합금의 응고를 설명합니다. FLOW-3D‘는 융해하는 혼합반응(eutectic reaction) 동안 흑연, 오스테나이트 (또는 감마 – 철) 및 탄화물 상(유동) 형성을 예측합니다. 냉각 및 고형화 동안의 용적 변화는 수축 및 다공성 형성 모델과 결합됩니다. 주철 모델은 실제 철 동결 경로와 냉각 취약성 기준을 사용하여 현장의 탄화 수소 형성을 제어합니다.

주조 공장 엔지니어의 주요 관심사 중 하나는 응고 중에 형성될 수 있는 과도한 수축 다공성입니다. 주철의 체적 변화는 대부분 액체 합금을 주입 온도에서 고체로 냉각할 때, 그리고 더욱 중요하게는 감마선, 흑연 및 탄화물 형태로 응고할 때 발생합니다. 라이저(or risering)를 배치하면 수축을 유도할 수 있는 추가 금속이 제공됩니다. 최소 비용으로 우수한 품질의 주물을 달성하기 위해서는 최적의 하역이 중요합니다. 또한 금속의 적절한 합금과 냉각을 통해 수축의 양을 제어할 수 있습니다. FLOW-3D의 주철 모델은 이러한 모든 요소를 고려하여 용융, 응고 동안 기공 형성 및 위상 개발을 예측합니다.

주철 모델 개요 / Overview of the Cast Iron Model

주철은 탄소와 실리콘이 합금 된 용융 철입니다. 탄소는 전형적으로 2.5 wt % 내지 4.5 wt % 범위로 존재하고 실리콘은 1 wt % 내지 3 wt % 범위로 존재합니다. 흑연을 안정화하고 “냉각”경향 (즉, 탄소 철의 형성)을 줄이기 위해 실리콘이 첨가됩니다. 다른 원소 및 화합물은 미량으로 존재하며 일반적으로 흑연 모양 (예 : 연성 철의 마그네슘)을 제어하거나, 추가 탈산제 (예 : 인)로 작용하거나, 흑연의 주입제 (예 : 페로 실리콘) 역할을합니다.

FLOW-3D 의 주철 모델은 주입 온도에서 응고까지 발생하는 부피 변화를 설명합니다. 액체 상태에서 냉각 중 수축; 사전 용융 감마 철 형성 동안 추가 수축; 용융 반응 동안 후속 수축 또는 팽창; 그리고 용융 반응의 끝에서 고형 선으로의 2 차 수축. 주철은 일반적으로 탄화물의 형성에 영향을 미칠 수있는 비철 상을 포함하기 때문에, 응고된 금속의 밀도에 대한 이러한상의 영향에 대해 휴리스틱 허용치 (냉각 민감성 매개 변수의 형태)가 만들어집니다.

주철 응고 모델의 잠열 방출은 초기 용융물에서 탄소와 실리콘의 농도를 사용하여 Fe-C 위상 다이어그램 [1] 에서 결정된 온도 함수 (소위 동결 경로)로 계산됩니다 . 이 모델은 유동 유무에 관계없이 일반 응고 모델과 함께 사용할 수 있습니다. 그러나 다른 단계의 형성과 관련된 체적 변화는 흐름을 포함하지 않는 단순화된 수축 모델에만 결합됩니다.

철 확장 중 금형 벽 이동의 효과는 현재 모델에 포함되지 않습니다. 금형에서 사용 가능한 공간으로 수용 할 수없는 순 체적 확장은 무시됩니다.

융해 영역에서는 융해 경계의 속도를 사용하여 국부적인 냉각 경향을 계산하고, 따라서 국부적인 탄화물의 양을 계산하므로 금형 벽 근처의 냉각 영역을 모델링 할 수 있습니다. 고체 유전체 변환 중에는 더 이상의 공기상 변화를 추적하려는 시도가 없습니다. 즉, 최종 물질 미세 구조가 예측되지 않습니다.

hyper-eutectic cast irons의 경우, 회색 및 연성 주철과 같이 초기 경화전 공정 단계에서 흑연만 형성되는 것으로 가정합니다. 즉, 이 모델은 주로 탄화물이 형성되는 사전 융해 단계에서 hyper-eutectic white irons의 응고를 포함하지 않습니다.

Cast Iron Freezing Path

주철 동결 경로는 공융 합금의 경로입니다. 이는 액상 선 온도, 공융 온도, 공융 – 시작 및 공융 – 말단 고체 분율 및 고 상면 온도에 의해 특징 지어 질 수 있습니다. 모두지만, 마지막 두 양은 평형 3 원 Fe-C-Si 상 다이어그램 [1]에서 계산됩니다.
(The cast iron freezing path is that of a eutectic alloy. It can be characterized by the liquidus temperature, eutectic temperature, the eutectic-start and eutectic-end solid fractions and the solidus temperature. All, but the last two quantities are computed from the equilibrium ternary Fe-C-Si phase diagram [1].)

감마상의 탄소 용해도는 다음에 따라 중량 % 단위 의 Si 함량 에 따라 달라집니다 .

(1) $\displaystyle {{C}_{{\gamma ,mx}}}=2.07-0.098Si,$

이는 Stefanescu [2]에 의해 보고된 용해도와 밀접한 관련이 있습니다. 합금의 액상 점 (섭씨 온도)은 hypo-eutectic liquidus plane :

(2) $\displaystyle {{T}_{i}}=1636-113\left( {C+0.25Si} \right)$

또는 초정밀 액상 평면 [2] :

(3) $\displaystyle {{T}_{i}}=-505.8+389.1\left( {C+0.31Si} \right),$

그리고 공융 혼합물 및 온도는 이들 평면의 교차점에 의해 주어집니다.

(4) $\displaystyle {{C}_{e}}=4.26-0.296Si,$ $\displaystyle {{T}_{e}}=1154.6+5.2Si$

공융 반응의 시작은 레버 규칙에 의해 주어진 파생된 양입니다.

(5) $\displaystyle {{f}_{e}}=\frac{{c-{{c}_{\varepsilon }}}}{{{{c}_{{\gamma ,mx}}}-{{c}_{\varepsilon }}}}.$

[3]의 측정은 이 근사가 많은 주철에 적합 함을 암시합니다.

흑연 공융 반응의 끝, 수수료 및 solidus Ts는 사용자 정의 수량으로 남습니다. 액체에서 인의 양의 분리를 고려하면 실제 고 상선 온도는 흑연 공융 온도보다 낮고 1100 ° C 정도로 낮습니다. 이 경우, 흑연 침전은 동결이 끝나기 전에 완료되고 동결되는 금속의 마지막 부분은 공융 밀도와 다른 밀도 ρ_ei 에서 수행된다고 가정합니다.

흑연 공융 반응의 끝 f _ee 및 고형 선 T _s 는 사용자 정의 수량으로 남습니다. 액체에서 인의 양의 분리를 고려하면 실제 고 상선 온도는 흑연 공융 온도보다 낮으며 1100 ° C까지 낮습니다. 이 경우, 흑연 침전이 동결이 끝나기 전에 완료되고 동결 할 마지막 금속 부분 인 1- f _ee 가 공융 밀도와 다른 밀도 ρ _ei 에서 그렇게 한다고 가정합니다.
( The end of graphitic eutectic reaction, f_ee , and the solidus T_s, are left as user-defined quantities. If one considers positive segregation of phosphorous in the liquid, the actual solidus temperature is below the graphitic eutectic temperature, and is as low as 1100 °C. For this case, it is assumed that graphite precipitation is complete before the end of freezing, and that the last fraction of metal to freeze, 1-f_ee, does so at a density ρ_ei different from the eutectic density. )

밀도 변화 / Density Changes

일반적으로 주철 주물의 과열은 크며 응고가 시작되기 전에 냉각 중 수축이 중요합니다. 액체 철 밀도의 온도 의존성은 선형 형태로 모델링됩니다 :

(6) $\displaystyle \rho \left( T \right)={{\rho }_{0}}\left[ {1-\alpha \left( {T-{{T}_{0}}} \right)} \right]$

또는 테이블 형식으로 함수 ρ (T) 를 정의하여 .

일단 동결 범위에 들어가면 감마철은 고형분수에 도달할 때까지 형성됩니다. 이 단계의 농도 값인 ,ϒ은 7.2 g/cc입니다 [4,5,6]. 고형분수에 도달하면, 일반(흰색) 공극과 불규칙한 회색 공극이 경쟁적으로 성장하는 동안 공극 반응이 시작됩니다. 높은 동결률과 높은 황동-전방 속도에서 백색 황동은 부분적으로 황동 전방에 앞서 탄소 농도 구배가 더 낮기 때문에 안정적입니다. 낮은 Eutectic-front 속도에서는 회색 Eutectic이 안정적입니다.
( Once in the freezing range, gamma iron forms until f_e solid fraction is reached. The density value of this phase, ρ_ϒ, is a 7.2 g/cc [4,5,6]. Upon reaching f_e solid fraction, the eutectic reaction begins during which a regular (white) eutectic and an irregular grey eutectic grow competitively. At high freezing rates and high eutectic-freezing-front speeds the white eutectic is stable in part due to shallower carbon concentration gradients ahead of the eutectic front. At lower eutectic-front speeds the grey eutectic is stable. )

냉기 형성을 설명하기 위해 간단한 접근 방식이 사용됩니다. In a range of eutectic freezing front speeds,

(7) $\displaystyle {{\nu }_{e}}\in \left[ {\frac{{\nu -}}{{{{X}_{{eut}}}}},\frac{{\nu +}}{{{{X}_{{eut}}}}}} \right]$

형성되는 냉기의 양은 주어진 탄소 구성에서 허용되는 최대치에서 0까지 다양합니다. 파라미터 ν-=30μ/ms, ν+=60μ/ms, Xeut은 사용자 정의 파라미터인 쿨링 취약성 기준이며, 값이 0.0 ~ 1.0 범위이고 기본값은 1입니다. 잘 절연된 철이나 특정 표면적이 높은 회색 광택제의 경우 Xeut는 0에 가깝고 추위는 형성되지 않습니다. 반면, 철이 절연되지 않은 경우 기본값인 1이 더 적합해야 합니다. Xeut의 실제 값은 예를 들어 ASTM 쿨웨지 테스트(그림 1)에서 실험적으로 결정해야 합니다.
( the amount of chill formed varies from zero to the maximum allowed for a given carbon composition. The parameters ν-=30 μ/ms, and ν+=60 μ/ms, and X_eut is the chilling susceptibility criterion, a user-defined parameter, with values in the range from 0.0 to 1.0 with the default of one. For well-inoculated iron, or for a grey eutectic with a high specific surface area, X_eut is close to zero, and no chill will form. On the other hand, if the iron is un-inoculated the default value of one should be more appropriate. The actual value of X_eut must be determined experimentally, for example, from an ASTM chill-wedge test (Fig 1.).)

Figure 1. Carbide (left) and graphite (right) content in a 3.4 wt% C, 1.7 wt% Si iron with Xeut=0.25 (top) and Xeut=0.40 (bottom)

주조물의 순 체적 변화는 응고 과정에서 형성되는 서로 다른 상의 양과 액체 수축의 결합 효과입니다. 그림 2는 3.4wt %의 탄소와 2.5wt %의 실리콘을 갖는 합금에 대한 3 가지 상이한 과열 온도에 대한 금속 부피의 변화를 보여줍니다. 더 큰 과열은 금속 체적의 순수한 감소로 이어. 그래파이트 형성으로 인해 응고 동안 나중에 팽창은 체적의 손실을 보상 할 수 없습니다.

Figure 2. Computed volume vs. time for three pouring temperatures for a 3.4 wt % C, 2.5 wt % Si cast iron. From top to bottom: 1250, 1400 and 1550°C pouring temperatures.

Summary

동결시 철의 밀도 변화를 추적하고 흑연, 오스테나이트 및 탄화물 상을 포함하는 미세 구조를 예측하기 위한 주철 모델을 기술하였습니다. 이 모델은 단순 응고 수축 및 미세 다공성 모델에 대한 옵션입니다. 고형물 (> 2 %)을 함유 한 철의 변성 열을 정의하기 위해 유동이 있건, 없건 응고 중에 사용할 수 있습니다. 수축 및 팽창 모두 흐름없이 모델에 포함됩니다. 팽창을 위한 공간이 없는 경우를 제외하고 팽창은 무시됩니다.

References

[1] G. Goodrich and John Svoboda, “Basic Concepts of Ferrous Metallurgy,” Cast Metals Institute, Inc., American Foundry Society, Inc., 1997.

[2] D. M. Stefanescu, S. Katz, “Thermodynamic Properties of Iron-Base Alloys,” ASM Handbook Volume 15, Casting (ASM International), 2008.

[3] K.G. Upadhya, D.M. Stefanescu, K. Lieu and D.P. Yeager, “Computer-Aided Cooling Curve Analysis: Principles and Applications in Metal Casting,” AFS Transactions, Vol. 97, 1989, 61-66.

[4] AFS, “Gating Calculations for Iron Castings,” spreadsheet, 2009.

[5] Von Alfred Holzmuller, VDG and Robert Wlodawer, VDG, “Zehn Jahre Speiser-Eingrs-Verfahren fur Guseisen,” Giesserei, 1963.

[6] G. Goodrich, “Introduction to Cast Irons,” ASM Handbook, Volume 15: Casting, 2008, pp 794-795.

[7] A. Starobin, M.C. Carter, “Modeling Volume Changes and High Temperature Microstructure in Cast Iron,” Flow Science Technical Note FSI-11-TN89, 2011.

공기 갇힘 / Air Entrapment

FLOW-3D 의 공기 혼입 모델은 중력 주조 공정과 같은 금속 주조 시스템에서 발생하는 갇힌 공기의 양을 추정하는데 사용됩니다. 이는 단순한 물리적 메커니즘을 기반으로하므로 고압 다이 캐스팅 공정과 같은 다른 금속 주조 시스템에서 발생하는 혼입 공기의 양을 추정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 최근 모델에 더 많은 물리적 세부 사항이 추가되어 기포 형태로 가정되는 동반 공기가 부력으로 인해 주변 액체 금속에서 상승하고 심지어 자유 표면에 도달하면 액체를 떠나는 것으로 모델링 할 수 있습니다.

고객 사례

Littler Diecast Co.

A380에 캐스팅 된 지지대. 공기 흡입에 의해 착색됩니다. Littler Diecast Co.의 예

Deco Products

Caster Wheel Leg part의 4 가지 시뮬레이션 사례. 이 부품들은 아연 합금 # 5로 만들어져 있습니다. 데코 제품의 예.

Shiloh Industries

동반 된 공기의 비율로 착색 된 전면 기어 하우징, 380 다이캐스팅 합금. Shiloh Industries의 예.
이 모델에 대한 더 자세한 정보는 Air Entrainment 의 Flow Science Report를 다운로드하십시오.

Predicting Defects Lform [Lost Form 결함 예측]

Introduction

There is increasing interest in the lost foam casting technique because of its ability to produce near-net-shaped components of high complexity. The idea is to first make a prototype of the part to be cast in foam. This is then used as a pattern that can be placed in a box and surrounded by sand. Finally, metal is poured such that it smoothly replaces the foam by melting and/or evaporating it.

The stiffness of the foam makes it possible to cast parts having thin walls or other fine-scale features, and since the foam does not have to be removed at the end of the casting process, parts can be made that require fewer gaskets to assemble. Furthermore, because the foam pattern holds the sand (mold) in place there is little need to use binders in the sand, which means that the sand doesn’t have to be disposed of and can be used again. All these features make the lost foam process highly attractive to manufacturers.

Unfortunately, one rarely gets a free lunch and lost foam casting is no exception. For the process to be successful there must be a high degree of process control. Foams must have the proper characteristics and be coated with just the right material, and pouring sprues and gates for delivering metal to the mold must be carefully arranged. Metal pour temperatures must be sufficiently high to prevent premature solidification. And finally, the filling pattern of a mold should be such that metal fronts do not merge in a way that traps liquefied foam material, which could cause internal defects in the cast part.

To help casters address some of these difficult problems the computational fluid dynamics (CFD) program FLOW-3DÒ has been outfitted with special modeling capabilities to simulate the lost foam process. Using these models, it is possible to simulate the filling of a lost foam mold and the subsequent solidification of the metal. An extra feature in FLOW-3DÒ is the capability to predict where folds or other defects associated with trapped foam products are likely to be located.

The purpose of this paper is to demonstrate the usefulness and accuracy of lost foam predictions made with FLOW-3DÒ by presenting a direct comparison between experimental and computational results. The example chosen for this comparison is described in the next section. Subsequent sections present the comparisons with an emphasis on how the computational results can be used to understand why things happened as they did. This last point is most important, because it offers the user direct evidence and insight into how a casting could be improved.

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Predicting Defects Lform

Binder Gas Generation and Transport in Sand Cores and Molds

Overview
The making of resin-bonded sand castings has made great strides in quality over its long history. Even so, there remain some process-related defects that are not fully understood and can cause quality issues. For instance, chemical binders in the sand can produce gas when heated by the molten metal and if not vented adequately, the gas may flow into the metal resulting in a gas porosity defect. This is most likely with cores that form thin interior features of castings that heat up quickly and have long venting paths.

The core gas model in FLOW-3D1 is designed to predict the possibility of such gas defects and is intended to help design core venting that would evacuate safely all the binder product gas
from the cores.
Two major types of binders are used in core making practice: resin-based organic binders and inorganic binders such as sodium silicate [1]. The organic binders are either thermosetting, or cured at room temperature with an aid of a catalyst. These are favored in many applications due to their complete degradation even at aluminum casting temperatures and for the ease of subsequent sand shake out. The core gas model is developed with these binders in mind, but can be extended to inorganic binders if appropriate data on their decomposition is available.

Flow Modeling for Casting Analysis

Lost Foam Variable Pattern Density

Overview
Making foam patterns for use in the lost foam casting process is a difficult business. To make a pattern foam beads are blown into a mold containing discrete vent locations for the displaced air and steam. This makes the density of the packed beads difficult to control. Patterns typically show final density variations of ±20%. Much larger variations are not uncommon.
One goal of the Lost Foam Consortium is to evaluate techniques for improving the uniformity of patterns. A related goal is to determine to what extent density variations in patterns are significant with respect to the quality of the parts produced.
Recent real-time X-Ray observations of the metal filling process reported by Dr. Wayne Sun (Advanced Lost Foam Casting Technology-Phase V Meeting, June 20-21, 2001) revealed several interesting facts about the behavior of foam patterns. In particular, when the foam has a low degree of fusion metal is observed to move very fast into the foam (e.g., 4 to 5 times faster than in normal fusion foam). The advancement of the metal is typically in the form of fingers, which subsequently spread sideways causing the meeting of metal fronts that result in many fold defects. Furthermore, the location of the fingering is significantly affected by density variations in the foam pattern.
In contrast, when the foam patterns consisted of normal fusion foam, the metal front moved smoothly (i.e., no fingering) and considerably fewer fold defects occur. Also, the presence of density variations in the foam has little effect on the propagation of the metal fronts.
Based on these findings it was concluded that no attempt should be made to model low fusion foam because this in not likely to be choice for production work. Instead, we report here the development and testing of a model for adding a variable foam density to the FLOW-3D® software package from Flow Science, Inc.

Modeling shrinkage induced microporosity [마이크로 미세기공 발생 예측]

Overview
Cast metal parts are sometimes unusable because they have internal gas pockets, or bubbles, which develop when the metal shrinks during solidification. A general term describing such bubbles or voids is “porosity.” When these bubbles are relatively large and localized the porosity is called macro-porosity. Prediction of macro-porosity in the interior of cast parts is a capability of most software packages currently used for the modeling of metal casting processes.
Another type of porosity, characterized by a more uniform distribution of small bubbles with a total average volume fraction on the order of one percent, is referred to as micro-porosity. This type of porosity is also caused by metal shrinkage during solidification, but its character is different from macro-porosity because it develops at a later stage in the solidification process. This distinction in types of porosity is important because each type requires a different modeling approach.
In this note we propose a new model that has been implemented in FLOW-3D® for predicting the occurrence of micro-porosity. The model is simple, requires only basic material property data, and adds virtually no noticeable CPU time to a solidification simulation. Best of all, the model is complimentary to macro-porosity models and may be used in conjunction with either a complete hydrodynamic shrinkage simulation that includes fluid flow or with simpler heat-transfer and shrinkage simulation having no fluid flow.
The new model has been checked using three sets of experimental test data. A final test, involving only qualitative results for the influence of pressure on micro-porosity formation has also been conducted.

Real-World Validations

실제 산업현장에서의 검증

FLOW-3D 의 고객들은 끊임없이 자신의 설계 및 제조 공정을 개선하기 위하여 시뮬레이션을 사용한 결과와 실제를 비교 검증을 하고 있습니다.

Ladle Pour Simulation

Shot sleeve 공정을 최적화하는 것은 제품 품질을 보장하는 데 매우 중요합니다. FLOW-3D의 시뮬레이션 결과와 실제 사례 간의 비교는 시뮬레이션을 사용하여 엔지니어가 고가의 금형을 제조하기 전에 디자인을 향상시킬 수 있는 방법을 강조합니다. FLOW-3D의 GMO 기능을 이용하여 사용자는 전체 공정을 따라 실제 ladle로부터 fast shot까지 유체의 움직임을 정확하게 포착 할 수 있습니다. Simulation courtesy of Mr. Antoni Drys from Nemak Poland Sp. z o.o

Gravity Casting Validation

A gravity casting simulation compared with the reconstruction of the real filling, based on thermocoupled data. Courtesy of XC Engineering and Peugeot PSA.

Foundry: Simulating a Flow Fill Pattern

X 레이 사진 및 FLOW-3D 충전 시뮬레이션 비교표입니다. A356 알루미늄 합금으로의 사형 주형의 3 차원 중력 충진양상이고, legend 색은 용탕의 압력입니다. 시뮬레이션 결과는 대칭의 수직면에 나타나고 있습니다. X-rays courtesy of Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes VII, London, 1995.

X-ray validation of a sand mold filling

HPDC: Flow Pattern

Short shot compared to simulation results show good correlation. Courtesy of Littler Diecast Corporation.

Short sleeve validation – simulation versus casting part

HPDC Validation Showing Air Entrapment Defects

FLOW-3D의 Air Entrapment model을 사용하여 나온 시뮬레이션과 실험결과를 보여줍니다. 이는 세탁기 용 전동 모터에 대한 프론트 커버의 HPDC 결과입니다. 공기 관련 결함은 이미지의 컬러 형태로 정성적으로 표시됩니다. FLOW-3D 내의 다른 수치 기능에 의해 물리적인 air pocket도 명확하게 포착됩니다.

Successful comparison of casting simulation versus experimental results courtesy of Antrametal.

Modeling Air Entrapment

디젤 엔진 용 오일 필터 하우징(380 다이 캐스트 합금.)의 X 선 검증 사례입니다. X 선에 대한 자세한 영역은 최대 porosity concentration를 나타냅니다.

X-ray vs. FLOW-3D Cast validation of an oil filter housing for a diesel engine.

Simulation vs. Short Shot

Validation snapshots of actual casting parts vs. FLOW-3D simulations. From left to right: A transmission housing, an oil pan and an auto part.

Validating a High Pressure Die Casting Filling

HPDC casting validation comparing FLOW-3D results to the actual part

Predicting Die Erosion

The area of die erosion due to cavitation was correctly located in a comparison of FLOW-3D results to a real-world case.

Core Drying Validation

A comparison made by BMW between simulation and experiment of the drying of an inorganic core.

Predicting Lost Foam Filling

Comparison of real time X-ray and FLOW-3D metal flow simulation results on a lost foam L850 Block Bulkhead Slice. Simulation courtesy of GM Powertrain.

Category: Casting, Automotive | 주조,자동차

마지막으로 냉각할 위치 / Last Places to Freeze

열 모듈러스 방법 / The Thermal Modulus Method

냉방 및 공급 시스템 설계를 위한 새로운 도구의 적용

열 모듈 계산

결론

Key Framing in FLOW-3D CAST – Short Tutorial

Centrifugal Casting of a Jewelry Ring Tree

Gravity Pour Ring Casting

Single Ring Centrifugal Casting

Semi-Continuous Casting of a 600 mm Slab with Stress Calculation

Continuous Casting Simulations

Centrifugal Casting Examples

Accurate Filling Simulations

Solidification of Castings for Foundry Applications

Temperature profile during a tilt pour filling cycle

Tilt pour casting simulations

Predicting metal casting defects

Visualizing non-inertial reference frame motion

LPDC Simulations

Thermal Die Cycling

Shot Sleeve Optimization

Filling Simulations

Modeling Solidification

High Pressure Die Casting Simulations

Customer Examples of Permanent Mold Castings

Process Workspace

Features

PERMANENT MOLD CASTING SUITE

Process Workspaces

Features

SAND CASTING SUITE

Process Workspaces

Features

LOST FOAM CASTING SUITE

Process Workspaces

Features

ALL SUITES INCLUDE THESE CORE FEATURES:

Solver Engine

FlowSight

Defect Prediction Tools

User Conveniences

결론

Conclusions

Thermal Stress Evolution

Simulating Thermal Stress

Component Coupling within the Fluid-Structure Interaction and Thermal Stress Evolution Models

No coupling

Full coupling

Partial coupling

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

Conclusion

Drag in the Mushy Zone, Mushy영역 내 항력

Solidification Drag Models in FLOW-3D, FLOW-3D 내 응고 항력모델

How to Calculate Permeability 투과성 계산법

How FLOW-3D Defines the Coefficient of Solidification Drag FLOW-3D 가 응고 항력계수를 결정하는법

Macro-Segregation during Alloy Solidification 합금응고시 거시적 편절

Microporosity Formation 미세다공형성

Moving Solid Phase 이동고상

Solidification Shrinkage 응고수축

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

Simulating Thermal Stress

Component Coupling within the Fluid-Structure Interaction and Thermal Stress Evolution Models

No coupling

Full coupling

Partial coupling

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

Conclusion

스프레이 구역 계산 / Spray Area Computation

열 전달 계수 결정 / Heat Transfer Coefficient Determination

스프레이 노즐 정의 / Spray Nozzles Definition

Sample Results

Conclusions

References

코어를 이용한 주조 모델링

알루미늄 및 철 주조의 결함 모델링

주철 모델 개요 / Overview of the Cast Iron Model

Cast Iron Freezing Path