1Otto-von-Guericke-University Magdeburg, Institute of Manufacturing Technology and Quality Management, Germany
2Soplain GmbH, Germany
현대의 주조 생산에는 샌드 코어를 사용해야 합니다. 환경 인식의 확대는 물론 규제 강화로 인해 코어가 열로 건조되고 치유되는 무기, 무배출 바인더 시스템 개발이 뒷받침되고 있습니다. 핫박스 공정이라고 하는 것에서는 코어 박스에서 열이 발생하여 샌드바인더 혼합물로 전달됩니다. 그러나 핫박스 공정은 크게 두 가지 기술적 단점을 보입니다.
첫 번째 단점은 약 1 W/(m·K)의 석영 모래의 열전도율이 매우 낮다는 것입니다. 외부 열 전달로 인해 공정에 시간이 많이 소요되고 쉘 형성과 그에 따른 품질 문제가 발생할 수 있습니다. 이 때문에 최대 523.15K 이상의 매우 높은 코어 박스 온도가 적용되어 열 전달을 가속합니다. 열상자 공정의 두 번째 단점은 코어 건조 자체를 실시간으로 직접 측정하고 디지털화할 수 없다는 점입니다. 대신 코어 박스에서와 같은 주변 파라미터를 기록해야만 수동적으로 측정할 수 있습니다.
ACS 프로세스
특허받은 새로운 ACS(Advanced Core Solution) 프로세스는 시간과 에너지 효율이 높은 코어 건조 및 양생을 목표로 합니다. ACS 프로세스는 모든 무기 바인더 시스템에 공통적인 특성을 사용합니다.
물 기반이기 때문에 전기적으로 전도성이 있습니다. 주요 요인은 전기 전도성 코어 박스 재료의 개발로, 모래-바인더 혼합물에 대한 전도도를 조정할 수 있습니다. 전압이 인가되면 그림 1에서와 같이 코어 박스와 모래-바인더 혼합물을 통해 전류가 균일하게 흐릅니다. 좀 더 정확히 말하면, 전류가 모래 알갱이 사이에 있는 전기 전도성 바인더 브리지를 통해 흐릅니다.
고유의 전기 저항으로 인해 모래 중심부는 셸 형성 없이 균일하게 가열됩니다. Joule heating이라 불리는 그 이면의 과학적 원리는 Joule 의 제1법칙에 근거하고 있습니다. 직렬 공정에서 전기 전도성 코어 박스는 Joule heating을 통해 가열되어 건조 공정이 추가로 가속화됩니다. 이는 ACS 공정의 경우 코어 박스 내부의 복잡한 가열 장치가 더 이상 필요하지 않으므로 코어 박스 구조가 단순화되기 때문에 더욱 중요한 장점입니다.
이 새로운 프로세스를 통해 처음으로 열이 필요한 곳, 즉 코어 내에서 직접 생성됩니다. 필요한 열은 균질하게 분포된 바인더를 통해 생성되어 인접 모래로 전달되기 때문에, 석영 모래의 낮은 열전도율은 더 이상 제한 공정 인자가 아닙니다. 또한 최초로 건조별 전기 파라미터를 기록함으로써 건조 프로세스 자체를 포괄적으로 실시간 모니터링할 수 있습니다. FLOW-3D를 사용하여 ACS 프로세스를 시뮬레이션할 수 있으며, 프로세스 편익의 정량화를 포함한 산업적 적용에 대한 중요한 기준을 충족합니다.
그림 1: 전류 흐름의 기본 비교: a) 미포함, b) 코어 박스의 전기 전도도를 모래-바인더 혼합물에 대한 조정
모델 설명
모델링은 Starobin 등의 작업을 기반으로 합니다. [1], 그러나 FLOW-3D의 전기-기계 모델로 확장합니다. 전기 전위(즉, 냄비 = 1)를 활성화하면 전기-열 효과, 즉 줄 가열(에테르모 = 1)을 고려해야 합니다.
모델 세부 정보는 [2]에서 확인할 수 있습니다. 구성 요소의 전기적 특성을 통해 코어 박스는 전기 전도도(초)와 유전 전위(오디엘)를 가진 동적 전위(오이포템 = 1)를 할당받으며, 전체 모래-바인더 혼합물의 전기 전도도를 설명하기 위해 모래 코어에도 동일하게 적용됩니다.
전극에는 한 전극에 대해 고정 전위(외전 = 0), 전기 전도도, 음전위(외전)가 할당되고 다른 전극에 대해서는 양의 전위(외전)가 할당됩니다. 전기 전도도에 대한 온도에 의존하는 정의는 아직 가능하지 않기 때문에, 우리는 재시동 시뮬레이션과 능동 시뮬레이션 제어로 작업했습니다.
이렇게 하면 각 온도 범위의 평균 전기 전도도, 즉 293.15 ~ 303.15 K, 303.15 ~ 313.15 K 등을 고려할 수 있다. 다음의 조사는 1유체 시뮬레이션에 초점을 맞춘 조사, 즉 purging 은 고려하지 않았습니다.
예제
첫 번째 단계에서는 상업적으로 이용 가능한 무기 모래-바인더 혼합물이 가열 및 온도에 의존하는 전기 전도성을 조사하기 위해 시뮬레이션 모델의 실험 조사 및 유효성 검사를 위해 사용되었습니다.
373.15 K에 도달하는 데 필요한 시간뿐만 아니라 모래 코어에 입력되는 전력 및 에너지를 측정하였다. 실험 분석과 결과를 바탕으로 기초적인 시뮬레이션 모델을 만들었습니다. 재량권을 이유로, 기초 결과 중 일부는 질적으로만 제시된다. 결과는 그림 2에 제시되어 있으며, 측정값과 시뮬레이션 사이의 높은 수준을 보여줍니다.
그림 2: 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 비교. 측정 지점은 293.15 K: a) 온도 상승 전력 입력- 측정값으로부터의 평균 편차: 0,95 %, b) 에너지 입력 – 측정값으로부터의 평균 편차: 4.8 %에서 시작하여 10 단계로 지정된 목표 온도의 도달도를 나타냅니다.
검증된 결과를 바탕으로 단순하지만 부피가 큰 기하학을 이용해 ACS 프로세스와 시뮬레이션을 보여주는데, 고전적인 핫박스 프로세스에 비해 진보된 ACS 개발의 기초와 높은 잠재력을 잘 보여줍니다.
기하학적 정렬은 그림 3에서 확인할 수 있습니다. (1) 고전적인 핫박스 프로세스, (2) 콜드 툴을 사용하는 ACS 콜드 스타트 프로세스(293.15 K), (3) 줄 효과로 인한 공구 난방에 대한 ACS 시리즈 프로세스 등 세 가지 경우를 시뮬레이션했습니다. 모든 3차원 모델은 1mm 크기의 셀로 분쇄되었습니다. 표 1은 계산된 시나리오의 가장 중요한 세부 사항을 요약합니다.
그림 3: 전도성 코어 가열 및 건조를 위한 시뮬레이션 설정의 기하학적 정렬표 1: 계산된 코어 건조 사례 개요. 값은 실제 실험에서 파생됩니다.
결과 및 토론
그림 4는 고전적인 핫박스 공정을 위한 온도와 수분 발달을 보여주며, 외부 열 전달 및 그에 상응하는 수분 감소를 명확히 보여주고 있습니다.
시뮬레이션은 시뮬레이션의 마지막에 모래 코어 센터에 수분이 남아 있는 상태에서 120초 동안 수행되었습니다. 실제로 사이클 타임 대상은 코어 센터에 쉘 형성과 잔류 수분이 있는 건조 프로세스의 조기 종료를 강요합니다. 단, 그림 5에 나타낸 ACS 콜드 스타트 시뮬레이션(코어 슈팅 머신을 가동했을 때의 첫 번째 샷에 대응)에서는 새로운 프로세스의 기본 원리인 코어의 균일한 heating이 내부 아웃 수분 수송으로 이어집니다.
게다가, 모래 코어는 코어 박스보다 더 빨리 가열됩니다. 직렬 공정에서 코어 박스는 Joule heating을 통해 373.15 K 이상의 온도에 도달하여 고온 박스와 ACS 공정이 혼합되어 건조 공정이 더욱 가속화됩니다.
ACS 영상 시리즈 시뮬레이션의 결과는 그림 6에 요약되어 있습니다. 핫박스 공정에서 120초가 지나도 모래심이 완전히 낫지 않지만, ACS 공정에서는 72초나 45초 후에 코어가 완전히 건조될 수 있습니다. 코어 박스 온도가 상당히 낮음에도 불구하고, 새로운 프로세스는 코어 건조에서 상당한 가속도와 새로운 접근방식의 큰 잠재력을 보여줍니다.
한 가지 주요 이점은 관련 에너지 요건과 그에 상응하는 CO2 배출량을 포함하여 사이클 타임의 대폭적인 감소입니다. 모래심에 유입된 에너지는 시뮬레이션을 이용해 미리 예측은 물론 실제 공정 중에도 측정할 수 있어 공정 설계와 투명성 측면에서 또 다른 큰 장점입니다.
또한, 시뮬레이션은 시험 표본의 기하학적 독립적 동질 난방을 명확히 보여주는데, 이는 습기가 코어 중심에 갇히지 않고 셸 형성을 방지함을 의미합니다. 전체적으로, 새로운 공정은 공정의 효율성과 무기적으로 결합된 모래 코어의 품질에서도 상당한 증가를 가능하게 합니다. 세 가지 사례의 프로세스 도표는 모두 그림 7에 요약되어 있습니다.
요약 및 전망
시연된 모델링은 새로운 코어 건조 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하는 FLOW-3D의 기능과 기존의 핫 박스 프로세스와 비교하여 보다 효율적인 코어 건조 및 양생에 대한 새로운 프로세스의 가능성을 보여줍니다. 새로운 시뮬레이션 설정이 아직 개발 단계에 있고 더 많은 실제 사례 실험이 필요한 경우에도 건조 동작에 대한 뛰어난 통찰력을 얻을 수 있으며, 지금까지의 실험 측정과 매우 잘 일치합니다.
현재 시뮬레이션 내에서 모래-바인더 혼합물의 전기 전도성은 석영모래를 통해 생성되며, 실제로는 전기 전도성이 아니라 실제 측정된 모래-바인더 혼합물의 전기 전도성에 해당된다. 이렇게 하면 전체 모래-바인더 혼합물의 전기 전도성이 시뮬레이션에서 설명되며 실험 결과에 적합한 것으로 보입니다. 좀 더 정밀한 시뮬레이션을 위해, 실제 전도성 곡선을 고려하기 위해 고체 코어의 온도에 의존하는 전기 전도성(예: 모래-바인더 혼합물)을 절약할 수 있는 가능성이 도움이 될 것입니다. 추가 단계는 2유체 시뮬레이션 모델에 집중됩니다. 초기 실험은 좋은 결과로 기본적인 타당성을 보여줍니다.
아직 취해야 할 조치에도 불구하고, FLOW-3D로 ACS 공정을 시뮬레이션할 수 있는 능력은 줄 가열 기반 코어 건조 공정을 전체적으로 수립하는 데 중요한 이정표를 세우고 무기 모래 코어 제조에 이 공정의 이점을 보여준다고 할 수 있습니다.
References
Starobin, C.W. Hirt, H. Lang, M. Todte, Core Drying Simulation and Validation, AFS Proceedings, Schaumburg, IL USA, 2011
FLOW-3D from Flow Science, Inc., Santa Fe, NM, USA
FLOW-3D는 코팅 성능 향상에 관심이있는 엔지니어에게 이상적인 수치 모델링 기능을 많이 갖추고 있습니다. 전산 시뮬레이션은 코팅 흐름에 영향을 미치는 여러 물리적 과정의 상대적 중요성과 효과를 연구 할 수있는 훌륭한 방법입니다. 물리적인 테스트에서 항상 프로세스를 분리하거나 해당 프로세스의 크기를 임의로 조정할 수있는 것은 아닙니다. 여기에서는 리 볼렛 형성(rivulet formation), 핑거링(fingering), 증발, 거친 표면에서의 접촉선 이동 및 유체 흡수와 관련하여 정적 및 동적 접촉각에 대하여 FLOW-3D의 처리에 대해 설명합니다.
정적 및 동적 접촉각(Static and Dynamic Contact Angles)
FLOW-3D는 정적 접촉각의 함수로 동적 접촉각을 정확하게 계산하고 입력으로 설정하며 자유 표면 인터페이스에서 작용하는 관련된 힘을 정확하게 계산하여 유체의 소수성을 캡처 할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 물방울이 경사를 따라 내려갈 때 정적 접촉각이 동적 접촉각에 미치는 영향을 보여줍니다.
흡수(Absorption)
종이 기판에 액 적의 충격 및 흡수는 전산 유체 역학 소프트웨어를 사용하여 연구 할 수 있습니다. 여기서 FLOW-3D는 섬유층에서 물방울 충돌을 시뮬레이션하는데 사용되며 표면 장력, 접촉각 및 점도와 관련된 유체 전면의 전파를 살펴 봅니다.
아래의 FLOW-3D 시뮬레이션에서, 낙하는 직경이 40 미크론이며 초기 하향 속도는 300 cm / s입니다. 기재는 종이이고, 기공률이 30 % 인 20 미크론 두께입니다.
액체 필름의 핑거링(Fingering in Liquid Films)
FLOW-3D에서 동적 접촉선은 동적 접촉각이나 접촉선의 위치를 지정할 필요없이 직접 모델링됩니다. 이는 소량의 유체에서 유체에 영향을 미치는 모든 동적 힘을 포함하는 수치 모델을 사용하여 수행됩니다. 정적 접촉각은 액체-고체 접착력을 특성화 하는데 사용됩니다.
액체 시트의 핑거링. 왼쪽은 0 °, 오른쪽은 70 °
여기서, 이러한 접근법의 힘의 적용은 경사 표면 아래로 흐르는 액체 필름에서 관찰 된 핑거링에 의해 제공됩니다. 실험적 관찰에 따르면 두 가지 뚜렷한 핑거링 패턴이 발생합니다. 첫 번째 패턴은 작은 정적 접촉각(즉, 습윤 조건)이며 상하한이 모두 하향으로 움직이는 쐐기형 핑거를 나타냅니다. 두 번째 패턴은 큰 정적 접촉각(즉, 습윤 조건이 열악함)이며 가장 균일한 폭을 가진 긴 핑거이고 가장 큰 한계점은 하향으로 움직이지 않는 것이 특징입니다.
증발 효과(Evaporative Effects)
퇴적(Deposit)
분산 된 고체 물질을 함유하는 액 적은 고체 표면에서 건조 될 때, 함유하고 있는 고체 물질을 침전물로서 남깁니다. 이 침전물의 형상이 많은 인쇄 공정, 청소 및 코팅 공정에 중요한 영향을 미칩니다. 한 종류의 퇴적물의 전형적인 예는 위의 이미지와 같이 엎질러 진 커피 패치의 둘레를 따라 링 얼룩이 형성되는 “커피 링” 문제입니다. 이 유형의 링 침전물은 액체의 증발로 인한 표면 장력 구동 흐름의 결과로, 특히 낙하 둘레에서 발생합니다.
건조(Drying)
FLOW-3D의 증발 잔류 액체 모델은 건조 후 톨루엔으로 형성된 잔류된 물의 3D형상을 시뮬레이션합니다. (30 배 확대)
건조는 코팅 공정의 중요한 부분입니다. 하지만 건조의 결함으로 잘 도포 된 코팅을 완전히 취소 할 수도 있습니다. 건조 중에 온도 및 용질 구배는 밀도 및 표면 장력 구배로 인해 코팅 내 유동을 유도 할 수 있으며, 이는 코팅 품질을 잠재적으로 파괴 할 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류 물 모델을 사용하면 건조로 인한 흐름을 시뮬레이션하고 값 비싼 물리적 실험에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.
모델링 링 형성(Modeling Ring Formation)
증발에 의해 접촉 라인에서 생성 된 흐름 시뮬레이션
윗쪽 그림에서 FLOW-3D는 증발이 가장 큰 접촉선에서의 증착으로 인해 에지 피닝(edge pinning)이 발생함을 보여줍니다. 증발은 증발로 인한 열 손실로 인해 액체를 냉각시킵니다 (색상은 온도를 나타냄). 동시에 고체 표면은 전도에 의해 액체를 가열합니다. 접촉선 주변에서 증발이 가장 커서, 액체가 접촉선을 향해 흘러 정적 조건을 재설정합니다. 최종 결과는 액체가 완전히 증발하는 액체 가장자리에 현탁 된 고체의 증착입니다.
참고 [1] Deegan, R., Bakajin, O., Dupont, T. et al. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops, Nature 389, 827–829 (1997).
아래는 FSI의 금속 주조 참고 문헌에 수록된 기술 논문 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D CAST 해석 결과가 수록되어 있습니다. FLOW-3D CAST를 사용하여 금속 주조 산업의 응용 프로그램을 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.
Below is a collection of technical papers in our Metal Casting Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D CAST results. Learn more about how FLOW-3D CAST can be used to successfully simulate applications for the Metal Casting Industry.
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Sand Core Making Workspace는 사용자에게 모래 중자의 충진 및 경화 해석을 위한 사용하기 쉬운 도구를 제공합니다. 사용자는 다양한 모래 및 바인더 조합의 shooting을 모델링하여 코어 박스가 채워지는 방법을 예측하고, 부적합한 충전이 발생하는 지역을 찾은 다음 배기구를 배치하고 크기를 조정하여 해당 구역의 충전을 개선 할 수 있습니다.
콜드 박스, 핫 박스 및 무기 공정을 포함한 모든 현재의 코어 경화 공정을 모델링할 수 있습니다. 모래 밀도 분포 및 공기 흐름과 같은 shooting 특성을 쉽게 시각화 할 수 있습니다.
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).
FLOW-3D CAST의 모델링 기능을 사용하면 주조 엔지니어가 코어 주입과 건조와 같은 코어 제작 프로세스를 쉽게 시뮬레이션 할 수 있습니다.
Core Shooting
샌드 코어는 모래-공기 혼합물을 주형으로 분사하여 생성됩니다. 주조 엔지니어의 목표는 모래 내의 공기 불순물 유입을 방지하는 것 인데, 이때 사용자는 안정적으로 FLOW-3D CAST의 모델링 기능을 통해 모래가 주입되는 노즐의 개수와 위치 및 공기가 빠져나가는 벤트 노즐의 개수와 위치를 변경하여 최적의 노즐 구성을 얻을 수 있습니다.
Core Drying
코어 건조 모델은 모래가 코어 금형으로 주입된 후 남아 있는 습기의 건조 과정을 계산합니다. 일반적으로 건조는 금형에 있는 동안 코어를 통해 뜨거운 공기를 불어넣음으로써 이루어집니다. 코어의 저온 부분에서 가열, 수분 증발 및 일시적인 습기 응결을 시뮬레이션하여 건조 과정을 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 완전한 건조를 보장하는 동시에 공기의 가열 및 배출과 관련된 에너지 비용을 최소화할 수 있습니다.
Core Drying Validation
A comparison made by BMW between simulation and experiment of the drying of an inorganic core.
FLOW-3D는 광범위하게 적용 가능한 습기 건조 모델을 제공합니다. 종이, 직물 또는 모래 코어와 같은 다공성 물질의 건조 과정을 시뮬레이션할 수 있습니다.
아래의 예는 모래 코어의 건조를 시뮬레이션할 수 있는 가능성을 보여 줍니다. BMW는 자사의 금속 주물 사업에 사용되는 무기물이 없는 모래 코어에서 물을 제거하는 데 관심을 표명했습니다.
물리적 관점에서 볼 때 모래 바인더에 포함된 물을 제거하기 위해 뜨거운 공기가 다공성 모래를 통과하는 것은 개념적으로 젖은 종이에서 물을 제거하는 것과 다르지 않습니다. 아래 그림은 초기 수분의 절반 정도를 제거한 후 코어에 남아 있는 수분에 대한 시뮬레이션과 실험 사이의 비교를 보여 줍니다.
이 경우는 건조 과정에서 초기에 증발한 후에 뜨거운 공기 주입구에서 더 멀리 떨어진 코어의 더 차가운 부분으로 응축되는 일부 물 때문에 보이는 것보다 더 복잡합니다. BMW의 핵심 건조 모델 사용에 대한 자세한 내용은 FoundryTechnology&Management에 발표된 기사를 참조하십시오.
Background
The “coffee ring” effect is the name given to a well known observation where the evaporative drying of a drop of coffee leaves behind a ring of dark material at the edge of the original drop. On first thought one would expect that the coffee particles, which are uniformly distributed in the drop, would simply be deposited uniformly over the area wetted by the drop. It has only been in recent years that researchers have uncovered the mechanisms that produce the ring effect (Deegan, R.D., et al).
As currently understood, the edges of drops can become pinned because of roughness or chemical elements on the surface on which they lie. Heat transfer to the drops from the substrate or the air induces evaporation, which is usually greater near the drop edge. Surface tension forces then adjust the curvature of the remaining liquid consistent with the pinned edge, which results in a net flow of liquid toward the edge. This flow replenishes the evaporative loss but also moves solute to the edge where it is concentrated by evaporation. Eventually, this mechanism builds up a ring deposit of solute at the original edge of the drop.
The residue from dried drops has implications for many useful applications, including general coating processes, formation of pixel arrays of organic materials for video displays and for a variety of micro-electro-mechanical (MEMS) devices.
Because many factors control the distribution of dried residue it is desirable to have some means to model the fluid dynamics of the process to aid engineers in making the best choices for each specific application. Such a capability has been incorporated into FLOW-3D1 making it possible to computationally investigate the influence of such parameters as the initial solute concentration, fluid viscosity, volatility of the solvent, evaporation rate, surface tension and initial shape of the drop.
This technical note presents a brief description of the residue formation model and illustrates it with several computations of an evaporating drop subject to different physical conditions.
Background
It has long been known that strong electric fields can disrupt liquid surfaces. One particularly useful application of this observation has been the development of electrospray-ionization (ESI) systems.
The basic concept is to eject liquid from a nozzle connected to a voltage source that has a relatively high electric potential compared to its surroundings. When adjusted for certain operating conditions, a thin jet of liquid is ejected from the nozzle that subsequently breaks up into charged droplets having a relatively uniform size. There are many useful industrial applications for a system that produces small droplets of specified size; particularly if the droplets don’t coalesce because of their electrical repulsion.
Having a charge also means that these drops can be electrically deflected toward a target. This technology, for example, has been advantageously applied to paint spraying, atomization of fuels, printing, mass spectroscopy and a variety of spray drying processes.
Introduction
Shallow flows, characterized by having a thickness much smaller than their lateral extent, can often be modeled by a depth-averaged (shallow-water or 2.5 dimensional) approximation.
Average fluid velocities are computed in the layer and the top fluid surface is free to move, which leads to a changing fluid-layer thickness. The advantages of this approach are its speed
and simplicity over full three-dimensional simulations.
One complication, however, is how to efficiently account for dynamic contact-line effects at lateral boundaries of the fluid. These boundaries are free to move over the underlying solid
surface. Furthermore, the fluid contact angle at these boundaries depends on the local dynamic flow conditions.
In this paper we present a new shallow-flow computational method based on the Volume-of-Fluid (VOF) technique, which conserves fluid mass, while allowing for general wetting and
drying behavior. Non-uniform surface tension and fluid-substrate interactions, defined by a static contact angle, are included in the model. No special prescriptions are needed to locate
contact line locations or define dynamic contact angles.
FLOW-3D의 수치 모델링 기능은 코팅 성능 향상에 관심이 있는 엔지니어에게 이상적입니다. 계산 시뮬레이션은 코팅 흐름에 영향을 미치는 다양한 물리적 공정의 상대적 중요성과 효과를 연구하는 훌륭한 방법입니다. 물리적 테스트에서 프로세스를 분리하거나 해당 프로세스의 규모를 임의로 조정하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 이 섹션에서는 리 블릿 형성(rivulet formation), 핑거링(fingering), 증발, 거친 표면 위의 접촉선 이동 및 유체 흡수와 관련하여 FLOW-3D의 정적 및 동적 접촉각 처리에 대해 설명합니다.
Static and Dynamic Contact Angles
FLOW-3D는 입력으로 설정된 정적 접촉각의 함수로 동적 접촉각과 자유 표면 인터페이스에서 작용하는 관련 힘을 정확하게 계산하여 유체의 소수성을 캡처 할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 물방울이 경사면 아래로 이동함에 따라 정적 접촉각이 동적 접촉각에 미치는 영향을 보여줍니다.
L.M. Hocking 박사는 그의 저서 [“A moving fluid interface on a rough surface,” J. Fluid Mech., 76, 801, (1976)]에서 표면에 미세한 요철이 흐름 구조를 유도하기 때문에 Contact line이 고체 표면을 통해 이동할 수 있으며 이는 거시적 관점에서 “velocity slip”로 해석 될 수 있다고 했습니다.
이 가설에 대한 전산 해석은 FLOW-3D를 이용하여 쉽게 수행됩니다. 선택된 테스트는 가로, 규칙적으로 이격 된 직사각형 슬롯 패턴 이차원 고체 표면 구성됩니다. 슬롯은 2mm 깊이 10mm 폭, 그리고 그들 사이 폭 10mm 고체 조각을 갖고 이격 됩니다. 이 크기는 전형적으로 상대적으로 부드러운 표면에 긁힌 모양입니다. 액체와 고체 사이의 정적인 접촉각이 60 °가 되도록 선택 하였습니다. 작동 유체는 물로 선정되었고 시험은 채널을 통해 속도30cm / s의 평균 물높이 15mm의 채널의 바닥에 있는 거친 표면을 두고 구동 이루어져 있습니다. 채널의 상단은 free-slip boundary로 정해집니다.
Hocking의 주장대로 micro-scale 교란이 Large scale 관점에서 보았을 때 계산된 속도장으로 보면 velocity slip의 한 종류로서 해석 될 수 있습니다. 아래는 계산된 수평 속도 분포를 나타내고 있습니다. 이것은 표면 바로 위에 제어 볼륨 층의 계산 된 수평 속도 분포를 제공하는 X-Y 플롯에 그래픽으로 보여 주고 있습니다. 격자 미세화에 의해 표면의 고체 부분의 윗쪽 속도가 영이 되는 경향이 있지만, 슬롯들 위에 있는 속도는 영이 안되게 유지됩니다. 많은 요철 위의 이러한 속도의 평균은 효과적인 슬립으로 해석 될 수 있는 non-zero 수평 이송 속도를 일으킵니다.
Evaporative Effects
분산된 고체 물질을 포함하는 액체 방울이 고체 표면에서 건조되면 고체 물질이 침전물로 남습니다. 이 퇴적물의 패턴은 많은 인쇄, 청소 및 코팅 공정에 중요한 의미를 갖습니다. 한 가지 유형의 침전물의 전형적인 예는 왼쪽 이미지와 같이 유출 된 커피 조각의 둘레를 따라 링 얼룩이 형성되는 “커피 링”문제입니다. 이러한 유형의 링 침전물은 액체의 증발로 인한 표면 장력 구동 흐름의 결과로 발생하며, 특히 방울 주변에서 발생합니다 [1].
Drying
건조는 코팅 공정의 중요한 부분입니다. 잘 도포된 코팅은 건조 결함으로 인해 완전히 손상될 수 있습니다. 건조 중에 온도 및 용질 구배는 밀도 및 표면 장력 구배로 인해 코팅 내 흐름을 유도 할 수 있으며, 이로 인해 잠재적으로 코팅 품질이 손상 될 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류물 모델을 통해 사용자는 건조로 인한 흐름을 시뮬레이션하고 값 비싼 물리적 실험에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.
FLOW-3D’s evaporation residue model simulates a 3D view of residue formed from toluene after drying (magnified 30x)
Modeling Ring Formation
FLOW-3D는 증발이 가장 큰 접촉 라인에서의 증착으로 인해 에지 고정이 발생 함을 보여줍니다.
링 형성 모델링 증발에 의해 접촉 라인에서 생성 된 흐름 시뮬레이션 증발은 증발로 인한 열 손실로 인해 액체를 냉각시킵니다 (색상은 온도를 나타냄). 동시에 고체 표면은 전도에 의해 액체를 가열합니다. 증발은 접촉 라인 근처에서 가장 크므로 액체가 접촉 라인을 향해 흐르게하여 정적 상태를 다시 설정합니다. 최종 결과는 액체가 완전히 증발하는 액체 가장자리에 부유 고체가 증착됩니다.
FLOW-3D의 접촉 선 고정 모델에 대해 자세히 알아보십시오.
Simulation of flow generated at a contact line by evaporation
FLOW-3D의 모델링 기능은 쉽게 주조 엔지니어로 하여금 core shooting과 core drying 등과 같은 core 생성공정을 시뮬레이션 할 수 있게 합니다.
Core Shooting
Sand core는 주형에 모래와 공기 혼합물을 불어 넣음으로써 제조됩니다. 주조 엔지니어의 목적은 모래 안의 공기 갇힘을 방지하고, 우수한 안정성을 가진 코어를 만들기 위해서 충분한 packing을 가지는 균질한 모래 분포를 달성하는 것입니다. FLOW-3D의 모델링 기능은 사용자가 공기 탈출을 통해서 venting nozzle 의 개수와 위치를 변경함으로써 취입되고,이를 통해 최적의 노즐 구성을 얻을 수 있게 합니다.
Core Drying
Core drying 모델은 core die에 모래가 취입 된 후 남아 있는 수분의 과도 건조(transient drying ) 해석을 수행합니다. 일반적으로, 건조 과정은 코어를 통해 뜨거운 공기를 다이에 불어 넣음으로써 수행됩니다. 가열 시뮬레이션 하는 동안 수분 증발과 코어의 차가운 부분에서의 수분의 임시 응축 등은 건조 공정을 최적화 하는 데 이용됩니다. 이는 가열과 공기의 송풍과 연관되어 에너지 비용을 최소화 하면서 완전한 건조를 보장합니다.
FLOW-3D/MP v6.1 은 FLOW-3D v11.1 솔버에 기초하여 물리 모델, 특징 및 그래픽 사용자 인터페이스가 동일합니다. FLOW-3D v11.1의 새로운 기능은 아래 파란색으로 표시되어 있으며 FLOW-3D/MP v6.1 에서 사용할 수 있습니다. 새로운 개발 기능에 대한 자세한 설명은 FLOW-3D v11.1에서 새로운 기능을 참조하십시오.
Meshing & Geometry
Structured finite difference/control volume meshes for fluid and thermal solutions
Finite element meshes in Cartesian and cylindrical coordinates for structural analysis
Multi-Block gridding with nested, linked, partially overlapping and conforming mesh blocks
Fractional areas/volumes (FAVOR™) for efficient & accurate geometry definition
Mesh quality checking
Basic Solids Modeler
Import CAD data
Import/export finite element meshes via Exodus-II file format
Grid & geometry independence
Cartesian or cylindrical coordinates
Flow Type Options
Internal, external & free-surface flows
3D, 2D & 1D problems
Transient flows
Inviscid, viscous laminar & turbulent flows
Hybrid shallow water/3D flows
Non-inertial reference frame motion
Multiple scalar species
Two-phase flows
Heat transfer with phase change
Saturated & unsaturated porous media
Physical Modeling Options
Fluid structure interaction
Thermally-induced stresses
Plastic deformation of solids
Granular flow
Moisture drying
Solid solute dissolution
Sediment transport and scour
Cavitation (potential, passive tracking, active tracking)
Phase change (liquid-vapor, liquid-solid)
Surface tension
Thermocapillary effects
Wall adhesion
Wall roughness
Vapor & gas bubbles
Solidification & melting
Mass/momentum/energy sources
Shear, density & temperature-dependent viscosity
Thixotropic viscosity
Visco-elastic-plastic fluids
Elastic membranes & walls
Evaporation residue
Electro-mechanical effects
Dielectric phenomena
Electro-osmosis
Electrostatic particles
Joule heating
Air entrainment
Molecular & turbulent diffusion
Temperature-dependent material properties
Spray cooling
Flow Definition Options
General boundary conditions
Symmetry
Rigid and flexible walls
Continuative
Periodic
Specified pressure
Specified velocity
Outflow
Grid overlay
Hydrostatic pressure
Volume flow rate
Non-linear periodic and solitary surface waves
Rating curve and natural hydraulics
Wave absorbing layer
Restart from previous simulation
Continuation of a simulation
Overlay boundary conditions
Change mesh and modeling options
Change model parameters
Thermal Modeling Options
Natural convection
Forced convection
Conduction in fluid & solid
Fluid-solid heat transfer
Distributed energy sources/sinks in fluids and solids
Radiation
Viscous heating
Orthotropic thermal conductivity
Thermally-induced stresses
Turbulence Models
RNG model
Two-equation k-epsilon model
Two-equation k-omega model
Large eddy simulation
Metal Casting Models
Thermal stress & deformations
Iron solidification
Sand core blowing
Sand core drying
Permeable molds
Solidification & melting
Solidification shrinkage with interdendritic feeding
Micro & macro porosity
Binary alloy segregation
Thermal die cycling
Surface oxide defects
Cavitation potential
Lost-foam casting
Semi-solid material
Core gas generation
Back pressure & vents
Shot sleeves
PQ2 diagram
Squeeze pins
Filters
Air entrainment
Temperature-dependent material properties
Cooling channels
Fluid/wall contact time
Numerical Modeling Options
TruVOF Volume-of-Fluid (VOF) method for fluid interfaces
First and second order advection
Sharp and diffuse interface tracking
Implicit & explicit numerical methods
GMRES, point and line relaxation pressure solvers
User-defined variables, subroutines & output
Utilities for runtime interaction during execution
Fluid Modeling Options
One incompressible fluid – confined or with free surfaces
Two incompressible fluids – miscible or with sharp interfaces
