Numerická simulace významný pomocník slévárenské technologie

Numerická simulace se již stala uznávaným pomocníkem při analýzách a optimalizacích slévárenské výroby. V rukou technologa se simulační software může stát mocným nástrojem, který mu umožní optimalizovat procesy, zvýšit využití kovu, snížit procento neshodných výrobků a tím zefektivnit výrobu. Navíc simulace technologa vzdělává a učí ho chápat souvislosti procesu, čímž mu dále napomáhá v jeho odborném růstu. Je ovšem nutné zdůraznit význam jednotlivých pracovníků - technologů, jelikož pro koncepční rozhodování o technologii se nedají stanovit pevná pravidla a konkrétní řešení je závislé na důvtipu a intuici každého technologa. Dobrý slévárenský technolog zajišťuje implementaci provedených analýz do provozního prostředí a odpovídá za kvalitu a efektivnost každého jednotlivého odlitku. POUŽITI SIMULACE VE VYROBNIM PROCESU Ukažme si na příkladu z oblasti gravitačního lití oceli možnosti, které nám numerická simulace nabízí. Jedním z problémů, se kterým se technolog potýká při návrhu nové technologie, je jak zabránit vzniku slévárenských vad typu staženin a ředin, případně jakým způsobem je minimalizovat, přemístit, tak aby byly akceptovatelné. Tento typ vad nalezneme u většiny technických slitin a jejich podstata je spojena s úbytkem objemu tzv. stahováním, ke kterému dochází v průběhu ochlazování taveniny a během tuhnutí. Nemá-li v odlitku vzniknout staženina, je nutno tento objemový deficit doplnit z dostatečně dimenzovaných nálitků. Technolog se rozhoduje, zda použije nálitky, jakého typu a velikosti a jaké bude jejich rozmístění. Na tyto otázky nám může pomoci odpovědět numerická simulace. První výpočet tuhnutí samotného odlitku (bez nálitků, vtokové soustavy) napoví, jakým způsobem odlitek tuhne, kde dochází ke vzniku tepelných uzlů a kde jsou poslední místa tuhnutí. Tato analýza napomůže při návrhu rozmístění nálitků, případně dalších prvků ovlivňujících tepelné poměry během tuhnutí a chladnutí (chladítka, izolace). Následuje opětovná fáze tzv. pre-processingu, při které technolog připraví návrh velikosti a umístění jednotlivých nálitků, případně dalších částí. Abychom obdrželi přesnější představu o tepelné bilanci řešené soustavy, je vhodné modelovat plnění formy – obr. 1. Analýza této části numerického experimentu odpovídá na následující otázky: ? Je charakter plnění, s ohledem na odlévaný typ slitiny, vyhovující? ? Je geometrie a dimenzování jednotlivých částí vtokové soustavy optimální? ? Dojde k zaplnění celé dutiny, případně nehrozí vznik studených spojů? ? Jsou zde kritická místa s ohledem na erozi formy, případně jader? ? Je navržený vtokový systém vhodný z pohledu obdrženého rozložení teplotního pole? Zodpovězení těchto otázek je již prvním krůčkem na cestě ke „zdravému“ odlitku. Na výsledky provedených analýz plnění navazuje výpočet tuhnutí, případně chladnutí odlitku (napětí a deformace). Z charakteru teplotního pole během tuhnutí lze sledovat, zda dochází k usměrněnému tuhnutí a zda nálitky jsou tepelně i objemově dostatečné. Z postupu fronty tuhnutí, případně za použití speciálních kriteriálních funkcí, lze určit dosazovací vzdálenosti nálitků. Přímo tedy vidíme, zda nedochází k samostatnému tuhnutí některých částí odlitku, které jsou odděleny od dosazování tekutého kovu z nálitků – obr. 2. Simulace nám tedy opět odpoví na otázky: ? Je navolené dimenzování nálitků správné? ? Jaké je využití kovu v nálitcích? ? Je počet použitých nálitků dostatečný? ? Je nutné ovlivnit teplotní pole jinými prostředky (chladítka, zásypy)? V případě, že zvolená technologie řeší uspokojivě problémy spojené s tuhnutím, můžeme dále optimalizovat např. velikost a typ použitých nálitků. V dnešní době je běžnou praxí používání izolačních, nebo exotermických obkladů. I tyto moderní technologické pomůcky mohou být zahrnuty do výpočtu. U složitých odlitků, které mají komplikované přechody stěn, nás často zajímá, jaká zbytková pnutí mohou zůstat v odlitku, jaká je náchylnost ke vzniku trhlin a prasklin, jak se odlitek bude deformovat. Materiálové modely zahrnují elastické, elasto-plastické nebo elasto-viskózní vlastnosti odlitku nebo formy. Během výpočtu se uvažuje o odtržení ztuhlého povrchu odlitku od formy a tedy o formování vzduchových mezer. Koeficient přestupu tepla je automaticky přepočítáván, což umožní přesné výpočty přenosu tepla během tuhnutí a chladnutí. U nepoddajných forem můžeme sledovat vliv brzděného smrštění na vznik napětí v odlitku, případně následné deformace po vyjmutí z formy. Tyto výpočty specifikují příčiny vzniku nežádoucích jevů a podněcují úvahy o změně tepelné bilance procesu, případně jsou argumentem k zásahu do geometrie součásti. Možnosti numerické simulace ani zde nekončí. V současné době jsou zpracovány modely na výpočet nukleace a růst zrn, na predikci mechanických vlastností, případně speciální modely na tepelné zpracování. Záleží pouze na uživateli, jaká oblast je pro něj určující s ohledem na požadované vlastnosti odlitku. To co koncový uživatel požaduje od provedených výpočtů, je dobrá shoda numerického experimentu s realitou. Společnost ESI Group, jako průkopník numerických simulací, věnuje značnou pozornost validaci jednotlivých procesů a technologií. Na obr. 3 je naznačeno ověřování výpočtu během fáze plnění pomocí rentgenového prozařování formy. Rovněž ověřování velikosti a umístění makro a mikroporozity je jedním z hlavních bodů validačních výpočtů – obr. 3b. Dobrá shoda numerického výpočtu s realitou je podmíněna správnou definicí počátečních a okrajových podmínek, a zároveň přesnou znalostí termofyzikálních (termomechanických) dat použitých materiálů. Bez jakýchkoliv pochyb platí, že pouze přesná data vedou ke korektnímu výpočtu. Programy jako např. ProCAST, případně QuikCAST jsou validovány přímo na provozní podmínky jednotlivých sléváren a tak zaručují maximální efektivnost jejich nasazení. ZAVĚR Společnost ESI Group v zastoupení firmou MECAS ESI s.r.o., jako průkopník ve vývoji softwaru pro virtuální prototypové zkoušky, se zabývá činnostmi směřujícími k vývoji integrovaného výpočetního prostředí. Toto prostředí umožňuje neustálé zdokonalování výrobku během konstrukčního návrhu, prototypové výroby a výroby. Umožní počítačově simulovat skutečné chování mnoha fyzikálních a mechanických jevů. Toto kompletní řešení nahrazuje nákladné fyzické prototypy počítačovým modelem fyzikální reality. ESI Group užívá nejnovější poznatky nauky o materiálech, s cílem nahradit zdlouhavé zkoušky a odhalit nedostatky reálných prototypů. V oblasti technologických procesů firma nabízí simulace procesů lití, tváření, svařování a tepelného zpracování. Ing. Vladimír Krutiš, Ph.D., Ing. Zbyněk Kuzma, MECAS ESI s.r.o.