【技術電子報】讓消失模鑄造模擬變得更簡易

作者

Harry Littleton, Alchemcast,LCC

Melissa Carter, Flow Science Inc.


一、前言


消失模鑄造是是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型粘結組合成模型簇,刷塗耐火塗料並烘乾後,埋在幹石英砂中振動造型,在負壓下澆注,使模型氣化,液體金屬佔據模型位置,凝固冷卻後形成鑄件的鑄造方法。消失模鑄造的成品不需考慮分模線,大部分量產品不需要二次加工。通常的鑄造金屬包含了鑄鐵、鋁合金、鋼和鎳金屬。尺寸範圍從 1.1磅~幾噸。鑄件的表面粗糙度可達 2.5~25μm,鑄件的尺寸經度可達 CT7~9,最小鑄件厚度約為 2.5mm。消失模鑄造為鑄件結構提供了充分的自由度,設計人員可以開發相對複雜的鑄件機構。


圖1.消失模鑄造製程

在成形過程中,融熔金屬不能接觸模型,因為成形金屬大多高於模型的蒸發溫度(438℃-711 0K)。因此金屬和模型之間總是會存在著間隙。間隙之間會存在液體層(模型融化的第一階段溫度約在 160℃(433.0K))。模型分解後的接續階段是解聚,也就是將聚合物轉化為單體或單體混合物的過程。所有聚合物在高溫下解聚,隨後蒸發。



圖2.消失模鑄造的物理模型說明

二、實驗配置


對於消失模鑄造的數值模擬而言,最大的問題在於必須取得金屬融湯與模型之間的熱傳遞係數。為了在分析之前取得相關資訊,必須設計一套實驗以取得相關的參數。


圖三為實驗所採用的造型。將模型由左往右以不同的速度推進,在右側安裝一加熱器,量測在不同的速度下,模型因為加熱所損失的體積(包含液態損失及氣態損失),藉由體積消失量計算熱傳係數。一般而言,如果加熱材料為鋁合金,氣態損失率約為 20%-30%;如果是鑄鐵,則是 60%~80%。



圖3.實驗材料 Foam bar

圖四為實驗機台設計。實驗模型可用固定速度或是固定力量向右移動,安裝在加熱器上的熱電偶可用來量測溫度變化,藉以計算熱傳遞係數。



圖4.機台設定


圖5.實驗機台

根據實驗結果,可得到如圖六之圖表。數據為在不同的速度下,熱傳遞係數與加熱金屬之間的關係圖。



圖6.消失模鑄造之熱傳遞係數 (鋁合金: 1250W/M2-S / 鐵: 2500 W/M2-S)

三、鑄件實作與數值模擬比對


為了進行數值比對,採用一單模15穴之消失模鑄件進行測試。圖七為消失模模型,鑄件相關數據如下:

  • Polystyrene Foam - Density = 24.04 kg/m3

  • Silica Sand

  • Aluminum A356

  • Heat transfer aluminum/foam = 1200 W/m2-K

  • Initial temperature of liquid metal=1033 K (759.85 ⁰C)


本次實驗採用之數值模擬為FLOW-3D。在進行數值模擬之前,必須先取得下列數據,才能進行合理的數值分析。

  • 金屬/模型的熱傳遞係數

  • 模型比熱(Pattern Specofoc Heat)

  • 熔化熱(Melting Heat)

  • 分解能(Decomposition Energy)

  • 氣化能(Vaporization Energy)

  • 融熔溫度(Melting Temperature)

  • 氣化溫度(Vaporization Temperature)



圖7.消失模之鑄件模型

圖八為FLOW-3D充填模擬結果

圖8.消失模充填結果

FLOW-3D 可輸出消失模成形過程中的問題缺陷。圖九為鑄件缺陷與FLOW-3D數值比對 (Foam Residue Concentration)。


圖9.鑄件缺陷點與FLOW-3D數值模擬比對

四、結論


隨著鑄件肉厚減少,精密尺寸特徵複雜度增加,消失模鑄造在鑄造製程的比重會逐漸提昇。FLOW-3D 能夠精確的模擬消失模鑄造製程,並且預測鑄件製造過程中的缺陷位置生成,這對於產品開發人員以及鑄件製造人員來說相當有幫助。

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