Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin Seminář č. 3 Klíčová slova Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 2 ◦numerické simulace ve slévárenství, možnosti numerických simulací, volba vhodných simulačních nástrojů, ProCAST ◦ ◦Cíle kapitoly ◦ ◦Cílem kapitoly je alespoň v základu představit potenciál využití metod numerického simulování v prostředí slévárenských technologií. Za zmínku stojí, že matematické principy numerických simulací byly popsány již v 19. století. Tedy v době, kdy neexistovaly výpočetní kapacity na realizaci enormního kvanta potřebných výpočetních operací. Tento předmět nemá v žádném případě ambici zatěžovat studenty matematickými principy modelování či hlouběji pronikat do pozadí principů výpočtů, na kterých jsou numerické simulace postaveny. Úvod do kapitoly Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 3 ◦Vzhledem k omezenému rozsahu předmětu není možné postihnout celou škálu jak technologií výroby, či vyráběných slitin, tak rozličných programů, které jsou na trhu k dispozici. Není samozřejmě možné studenty seznámit s různými přístupy a softwarovými řešeními, které jsou na trhu k dispozici. Taktéž je nemyslitelné se v rámci jednoho semestru věnovat na znalosti náročnějším výpočtovým modulům. Bylo tedy rozhodnuto, že pro základní seznámení se s danou problematikou bude výuka zaměřena na technologii tzv. gravitačního lití tvárné litiny do pískových forem v jednom na VŠTE dostupných softwarů, konkrétně ProCast. Numerické simulace ve slévárenství Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 4 üv posledních desetiletích enormně narostl výpočetní výkon počítačů a zlepšil se poměr cena/výkon, díky tomu stále více dochází také k integraci numerických simulací také do oblasti slévárenských technologií ütato řešení umožňují často velmi efektivně přizpůsobit jinak složitý výpočet daným provozním podmínkám, pro které jsou odladěny üvýpočty probíhají velmi rychle a někdy je lze i přímo propojit a vyžadují pokročilou znalost programování a matematiky üvývoj těchto programů je vesměs časově náročným procesem vyžadujících dlouhodobou spolupráci mezi výzkumnými týmy a technology üexistuje skupina programů, které se přímo nespecializují pouze na procesy slévárenství, ale existuje v nich knihovna skriptů umožňujících řešit problematiku související s přestupy tepla, změnou skupenství (tuhnutí), proudění, krystalizaci a další typy fázových přeměn üpro běžné uživatele složité, některé ve formě Open Source a komunitní podpora je zcela či částečně zdarma üexistuje také skupina komerčních programů, s příznivějším uživatelským rozhraní, profesionální support a neustálý vývoj ü Hlavní cíle aplikace numerických simulací ve slévárenské technologii Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 5 ücílem každé slévárny je zajistit ekonomicky výhodnou, avšak kvalitní produkci üpotřeba zajistit pomocí technologií, aby vyráběné odlitky byly bez odběratelem neakceptovatelných vad při dodržení požadavků üpomocí simulačních programů je možné dodržení těchto požadavků odhadnout na základě simulací ještě před výrobou ükromě požadavků od dodavatele je také vhodné navrhnout licí sestavu tak, aby se zvýšil výtěžek kovu pomocí její vhodně navržené geometrie, to spočívá v počtu kusů odlitků v jedné licí sestavě, tvaru a rozměrů licích kanálků, jejich napojení na odlitky, umístění filtrů, množství, tvaru a počtu chladítek, ledvinek, odfuků a nálitků übez toho, aniž by proběhly provozní zkoušky lze také testovat různé změny v chemickém složení. Způsobu lití, teplotách nejen taveniny ale i forem atd. üněkdy je možné upravit technologii výroby i v průběhu projektu (zakázky) Hlavní cíle aplikace numerických simulací ve slévárenské technologii Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 6 ütento obrázek z příspěvku autora Ravi, B. (2010), může pomoci rozhodnout, jaké investice do simulačního prostředí jsou z pohledu počtu projektů, výrobní kapacity, kvalitativních požadavků a tvarové složitosti pro danou slévárnu vhodné üslévárna s vysokou výrobní kapacitou nad 5000 tun odlitků ročně a počtem zakázek (projektů) nad 100 za rok by již měli mít k dispozici vlastní simulační software a naopak menší slévárny by mohly takovýto program sdílet nebo zadávat řešení externě Hlavní cíle aplikace numerických simulací ve slévárenské technologii Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 7 schéma z příspěvku autorů Fu, M.W a Yong, M.S. (2009) přehledně znázorňuje vazby mezi reálnými slévárenskými procesy a simulacemi Hlavní cíle aplikace numerických simulací ve slévárenské technologii Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 8 üve schématu je také znázorněno základní rozdělení toho, co lze v oblasti slévárenství simulovat, které (stavové) rovnice jsou v rámci těchto modelů (oblastí) řešeny a které výstupní veličiny (proměnné) jsou především předmětem výpočtu üpro výpočet plnění formy je třeba řešit otázky rovnováhy energetické a hmotnostní pomocí rovnic Navier-Skovesových, kontinuity a energetických a je znázorněno, k výpočtu kterých proměnných (veličin) tyto propočty vedou üdalší dominantní oblastí je oblast tuhnutí a chladnutí odlitků s dominantní veličinou teplotou üřešení třetí oblasti uvedené ve schématu jsou napětí a namáhání, má potenciál odhalit kritická místa odlitků či dokonce predikovat tvarové deformace üne všechny komerčně dostupná řešení numerických simulací umožňují simulovat všechny technologie výroby üněkteré programy jsou také omezeny a neumožňují hlouběji studovat strukturu odlitků a s tím související napěťové stavy a tvarové deformace ü Hlavní cíle aplikace numerických simulací ve slévárenské technologii Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 9 üv běžné praxi se nejvíce setkáváme se simulacemi zaměřenými právě na průběh plnění a následně chladnutí a tuhnutí odlitků ümezi nejšpičkovější profesionální řešení i z pohledu komplexnosti nabízených řešení patří MAGMASOFT a ProCAST ◦ Úvod do využití numerických simulací v prostředí ProCast Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 10 üspolečnost ESI Group, kterou v ČR zastupuje MECAS ESI s.r.o., je předním světovým tvůrce softwarů pro virtuální prototypování a dodavatelem souvisejících služeb üESI vyvinula soubor softwarových aplikací pro slévárenský průmysl, které umožňují zvýšit využití odlévaného kovu a snížit procento zmetkovitosti galaxie_2007 ProCAST – Software pro výpočet simulace ve slévárenství Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 11 üpokročilý nástroj, který je výsledkem více než 20 leté spolupráce s významnými průmyslovými partnery a akademickými institucemi po celém světě üsimulační software ProCAST je založen na metodě konečných prvků üpředstavuje komplexní analýzu slévárenských procesů, jako je gravitační lití do písku, tlakové lití, metoda LostFoam a další, a to pro všechny odlévaných materiálů üprogram nabízí celkovou studii technologie od nalití kovu do formy – po konečné zchladnutí odlitku üvýpočet umožňuje analyzovat proudění a ochlazování taveniny v průběhu zaplňování slévárenské formy, dále řeší problematiku přestupů tepla během tuhnutí a chladnutí odlitků a v neposlední řadě nabízí výpočty mikrostruktury, napjatosti a deformací üna základě provedených analýz umožňuje rovněž predikovat výskyt slévárenských vad typu zahlcený vzduch, studené spoje, trhliny a další ü Visual environment Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 12 ◦ProCast – pracuje v jednom prostředí, které je rozděleno: ◦ üVisual – Mesh: Načtení CAD souborů, následná oprava, tvorba assembly, intersection mezi objemy, tvorba 2D a 3D sítě ◦ ◦Doporučené formáty pro export dat do Visual -Mesh: ◦ ◦IGS, CATIA, Parasolids - *.x_t, *.x_b, UG NX, Pro/Engineer, STEP ◦ üVisual – Cast: Definice počátečních parametrů (materiály odlitků, formy, chladítka atd., přestupy tepla mezi objemy, teploty lití, rychlosti) ü ◦Volba simulačních parametrů – technologie lití, specifikace na konkrétní výpočet, spuštění samotné simulace Visual environment Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 13 üVisual – Viewer: Vizualizace výsledků, analýza, vytváření grafů, statických obrázků a videí ◦ ◦Obecné: před spuštěním první simulace: kontrola nastavení tečky /control panel-regionadditional settings – decimal symbol = ◦ ◦Nepoužívat v názvech projektů: tečky, háčky, čárky a mezery. Kontrolní otázky Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 14 1. Co si lze představit pod pojmem numerické simulace slévárenských procesů? 2. Jaké jsou hlavní výhody využití numerických simulací ve slévárenství? 3. Je nutné vždy pořizovat profesionální komerční řešení do každé slévárny? 4. Uveďte dvě nejkomplexnější komerční řešení numerických simulací slévárenských procesů? 5. Co je to Visual environment v programu ProCast? Použitá literatura a zdroje Seminář č. 3 Úvod do možností využití metod numerických simulací k lití kovů a slitin 15 ü[online]. [cit. 2021-03-09]. Dostupné z: https://rahim-soft.com/esi-procast-2016-suite-free-download/ ü[online]. [cit. 2021-03-09]. Dostupné z: https://kom-odlew.pl/aktualnosci/spotkanie-magmasoft-2017/ ü