鋳造シミュレーションソフト FLOW-3D Cast - ダイカスト鋳造欠陥予測の最新技術

1. はじめに

鋳造解析専用ソフトウェアFLOW-3D Castは、汎用3次元熱流体解析ソフトウェア FLOW-3Dを解析ソルバに用い、煩雑になりやすい解析条件の設定を容易にする優れたユーザーインターフェイスを備えています。

FLOW-3Dが備える豊富な物理モデルにより、凝固収縮巣、湯回り不良、空気巻き込み量などの鋳造欠陥をはじめ、金型温度分布、鋳型溶損、熱応力変形などを予測することができます。また、溶湯や鋳型の材料データベースを標準で備えています。

解析ソルバであるFLOW-3Dは、液面の変化を高精度で扱うことに優れており、インクジェット、コーティング、タンクスロッシング、水理・環境工学など、幅広い分野でワールドワイドに使用されています。

湯流れシミュレーションのように、流動する溶湯表面の形状を追跡する手法として、VOF法(Volume of Fluid)[1]がよく用いられます。湯流れパターンの予測精度はVOF法の信頼性に大きく依存し、高圧ダイカストのように高速で乱れが大きく複雑な湯面形状を伴う場合には、特に重要となります。図1は高圧ダイカストにおけるショートショットの比較事例です。FLOW-3D Castの湯流れシミュレーション結果は、実機の流動パターンを良好に再現しています。

ここではFLOW-3D Castに追加された新開発技術として、空気巻き込み予測と金型溶損予測の新オプションおよび金型スプレー冷却モデルについてご紹介します。金型スプレー冷却モデルについては、自動車用大型鋳物に対する適用事例によりその効果を示しました。

2. 空気巻き込み予測モデル

溶湯表面の乱れが強まると、溶湯内への空気の巻き込みが懸念されます。これらの空気が製品内に残存すると、ピンホールなどガス欠陥の要因となります。FLOW-3D Castの空気巻き込み予測モデルは、溶湯流動中のガス巻き込み量とその最終位置を予測します。

FLOW-3D Cast v4.1では溶湯圧による巻込みガスの圧縮を考慮する、新しいオプションが追加され、充填完了時のガス体積予測精度が向上しています(図2)。

3. 金型溶損予測モデル

高圧ダイカストの充填過程において、ゲート近傍など流れが加速する領域では溶湯圧が溶解ガスの飽和圧以下に低下し、微小気泡の生成と消滅を激しく繰り返すキャビテーション現象が生じることがあります。キャビテーションは局所的に強く連続した衝撃により鋳型表面を壊食します。

FLOW-3D Castは、湯流れシミュレーションにより得られる溶湯圧とガス飽和圧から、上述の溶損領域を予測します。FLOW-3D Cast v4.1ではさらに予測精度を向上させるために、気泡生成とその消滅をより現実的な経験式に基づいて計算する新しいオプションを追加しました。キャビテーションの要因である微小気泡の追跡機能は、溶損の生じにくい方案や製品設計に非常に有用です(図3)。