Numerická simulace ve slévárenské technologii
Simulace navíc technologa vzdělává a učí ho chápat souvislosti procesu, a tím 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.
Použití simulace ve výrobním 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, se týká zabránění vzniku slévárenských vad typu staženin a ředin, případně jejich minimalizace nebo přemístění tak, aby byly akceptovatelné. Tento typ vad se vyskytuje u většiny technických slitin a jejich podstata je spojena s úbytkem objemu tzv. stahováním, ke kterému dochází v průběhu ochlazování taveniny a 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. preprocesingu, 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 - viz 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, 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?
Výpočet tuhnutí odlitku
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 s případným použitím 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 - viz obr. 2. Simulace nám tedy opět odpoví na otázky:
- Je navolené dimenzování nálitků správné?
- Jaké je využití kovu v nálitcích?
- Je nutné ovlivnit teplotní pole jinými prostředky (chladítka, zásypy)?
- Je počet použitých nálitků dostatečný?
V případě, že zvolená technologie řeší uspokojivě problémy spojené s tuhnutím, můžeme dále optimalizovat například 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.
Chladnutí a vznik nežádoucích jevů
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 a jak se odlitek bude deformovat. Materiálové modely zahrnují elastické, elasto-plastické nebo elasto-viskózní vlastnosti odlitku nebo formy. Během výpočtu se uvažuje s odtržením ztuhlého povrchu odlitku od formy a tedy s formováním 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 pro výpočet nukleace a růst zrn, pro predikci mechanických vlastností, případně speciální modely tepelného zpracování. Záleží pouze na uživateli, jaká oblast je pro něj určující s ohledem na požadované vlastnosti odlitku.
Validace výpočtů
To, co koncový uživatel požaduje od provedených výpočtů, je dobrá shoda numerického experimentu s realitou. Společnost ESI Group jakožto průkopník numerických simulací věnuje značnou pozornost validaci jednotlivých procesů a technologií. Na obrázku 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 - viz obr. 3b.
Dobrá shoda numerického výpočtu s realitou je podmíněna správnou definicí počátečních a okrajových podmínek a zároveň přesnou znalostí termo-fyzikálních (termo-mechanických) dat použitých materiálů. Bez jakýchkoliv pochyb platí, že pouze přesná data vedou ke korektnímu výpočtu. Programy jako například ProCAST, případně QuikCAST, jsou validovány přímo na provozní podmínky jednotlivých sléváren, a tak zaručují maximální efektivnost jejich nasazení.
Ing. Vladimír Krutiš, Ph.D.,
Ing. Zbyněk Kuzma
Mecas ESI, DSB Euro