BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE PROCESU KRZEPNIĘCIA Z WYKORZYSTANIEM TECHNIKI LASEROWEJ. Instytut Odlewnictwa, Zakopiańska 73, Kraków 2

Transkrypt

1 12/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE PROCESU KRZEPNIĘCIA Z WYKORZYSTANIEM TECHNIKI LASEROWEJ Z. GÓRNY 1, S. KLUSKA-NAWARECKA 2, H. POŁCIK 3, R. ŻUCZEK 4 1, 2, 3, 4 Instytut Odlewnictwa, Zakopiańska 73, Kraków 2 Akademia Górniczo-Hutnicza, Zakład Informatyki Przemysłowej, Mickiewicza 30, Kraków STRESZCZENIE W artykule omówiono rezultaty badań procesu krzepnięcia metodami cyfrowej symulacji i badań eksperymentalnych. Badania prowadzone były w oparciu o omodelowanie przygotowane techniką laserową. Omówiono proces przygotowania modelu metodą LOM (Laminated Object Manufacturing). 1. WPROWADZENIE Badania procesu krzepnięcia stopów miedzi prowadzone są w Instytucie Odlewnictwa metodami symulacji komputerowej z wykorzystaniem istniejących programów takich jak MAGMA czy ABAQUS oraz realizowane są eksperymenty fizyczne. Badanie prowadzone są na odlewach próbnych o zróżnicowanych kształtach. Istotne znaczenie w przygotowaniu badań ma dokładne i w miarę szybkie przygotowania modeli. Dla przygotowania omodelowania potrzebnego w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych procesu krzepnięcia wybranych modyfikowanych stopów miedzi wykorzystano technikę laserową. W pracy omówiono zasadnicze elementy procesu przygotowania modeli techniką laserowa. Przedstawiono rezultaty badań symulacyjnych oraz podano wybrane wyniki badań eksperymentalnych. 1 prof. zw dr inż., iod@iod.krakow.pl 2 prof. zw dr inż., nawar@iod.krakow.pl 3 dr inż., hpolcik@iod.krakow.pl 4 mgr inż., zuczekr@iod.krakow.pl

2 TECHNIKA LASEROWA WSPOMAGA PRACE BADAWCZE W ciągu kilku minionych lat przemysł samochodowy, maszynowy czy lotniczy stawia producentom elementów konstrukcyjnych wysokie wymagania odnośnie skrócenia etapu projektowania i wykonania finalnego wyrobu prototypowego. Wiele firm zajmujących się wykonywaniem prototypów za główny cel stawia możliwość realizacji zadania w terminie nie przekraczającym kilku dni. Osiągnięcie tak rygorystycznych założeń stało się możliwe dzięki rozwojowi metod szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping). Dzięki rozwojowi techniki komputerowej stało się możliwe przeniesienie wirtualnego modelu CAD 3D bezpośrednio na maszynę RP i wytworzenie gotowego modelu prototypowego, często o bardzo skomplikowanej geometrii. Pierwszym procesem RP była stereolitografią, po raz pierwszy zaprezentowana w roku 1987, kiedy to w firmie 3D System opracowano urządzenie do wykonywania modeli z ciekłej żywicy syntetycznej poprzez utwardzanie kolejnych warstw wiązką laserową. Korzyści wynikające z zastosowania tej techniki spowodowały lawinowy rozwój nowych metod i stanowisk. Obecnie szybkie prototypowanie stanowi integralny etap w procesie przygotowania nowego wyrobu. Większość liczących się na świecie ośrodków wytwarzających modele prototypowe posiada w swej ofercie możliwość korzystania z kilku technik RP. Jedną z technik szybkiego prototypowania jest metoda polegająca na wytwarzaniu modeli warstwowych (Laminated Object Manufacturing) (rys. 1.). Edytor graficzny (tworzenie modelu 3D) plik *.stl Stanowisko LOM wykonanie modelu na podstawie rysunku 3D obróbka wykańczająca Gotowy model Rys. 1. Schemat powstawania modelu na stanowisku LOM. Fig. 1. Model diagram creation by the LOM. W procesie tym wirtualny model 3D przygotowany w programie CAD (dostarczany do urządzenia w formacie *.stl) jest cięty na warstwy odpowiadające grubości materiału laminowanego, którym jest papier powleczony żywicą termoutwardzalną. Budowa modelu sprowadza się do wykonania pakietu warstw laminowanych. Na aktualnie analizowanej warstwie wiązka lasera CO 2 o niskiej mocy wycina obrys modelu i dodatkową siatkę umożliwiającą usunięcie zbędnych fragmentów. Po zakończeniu cięcia następuje automatyczny pomiar wysokości pakietu z uwzględnieniem grubości kolejnej warstwy. W dalszym etapie materiał laminowany rozwijany jest z roli i element grzejny roztapiając żywicę dokleja kolejną warstwę budowanego pakietu, na której ponownie wycinany jest aktualny obrys modelu na danej wysokości. Po zdjęciu ze stołu z pakietu zostają odrzucone zbędne fragmenty, a wyjęty

3 102 model ze względu na wysoka higroskopijność materiału laminowanego zostaje zabezpieczony specjalnym lakierem. Gotowy model ma właściwości zbliżone do modeli wykonywanych z drewna i równie łatwo poddaje się obróbce wykańczającej, jednak jego główną zaletą w stosunku do modelu drewnianego jest możliwość wykonania modelu o bardziej skomplikowanej geometrii i przy zachowaniu większej dokładności wymiarowej (do 0,1 mm grubość papieru laminowanego). Modele wykonywane przy użyciu tej techniki w praktyce odlewniczej wykorzystuje się do: bezpośredniego wykonania form i rdzeni, w produkcji prototypowej i małoseryjnej, wykonania oprzyrządowania z żywic syntetycznych, wykonania matryc dla modeli woskowych, wykorzystania jako jednorazowe modele wypalane przy przygotowaniu formy ceramicznej. 3. PRZYGOTOWANIE FIZYCZNEGO MODELU Do przygotowania form służących do zalewania stopów miedzi wykonany został z papieru model przy wykorzystaniu stanowiska RPS LOM 2030E. Na podstawie dostarczonej dokumentacji wykonano rysunek 3D przy użyciu edytora graficznego i wirtualny model przesłano do urządzenia. Wykonywanie pakietu oraz gotowe elementy po rozebraniu pakietu służące do wykonania formy przedstawione zostały na rys. 2. Rozebrane elementy zostały zabezpieczone przed wilgocią i poddane obróbce wykańczającej. Rys. 2. Wykonywanie modelu na urządzeniu LOM i gotowe elementy składowe przygotowane do wykonywania formy odlewniczej. Fig. 2. Building model on LOM device and finished component elements for mould preparation. Na podstawie modelu 3D przygotowanego w edytorze graficznym (rys. 3) wyedytowano pliki w formacie *.stl, które posłużyły do zbudowania modelu symulacyjnego w preprocesorze programu MAGMA.

4 103 Rys. 3. Model odlewu przygotowany do symulacji w programie MAGMA. Fig. 3.Cast model created for simulation in MAGMASoft. 4. PRZEPROWADZENIE EKSPERYMENTU FIZYCZNEGO Dla realizacji eksperymentu opracowano fizyczny modelu oraz przygotowano stanowiska badawczego i oprzyrządowania (kokile, modele, rdzennice). Odlew próbny ma kształt kuli o średnicy 50 mm. Zaprojektowano układ wlewowy i zasilający. Model odlewu próbnego wykonano metodą laserową przy zastosowaniu LOM. Zaprojektowano stanowisko badawcze zapewniające wykonanie odlewów próbnych w trzech różnego rodzaju formach: forma metalowa (kokila), typowa forma piaskowa oraz forma piaskowa ze specjalną masą termoizolacyjną. Opracowano instrukcje technologiczne przygotowania i przeprowadzenia eksperymentów. Stanowisko badawcze wykonano w wydzielonej części hali Instytutu. Zaprojektowano materiały wsadowe. Badania eksperymentalne prowadzono dla brązu BA 1032 (CuAl10Fe3Mn2). Stosowano odpowiednio dobrane odtleniacze (CuP15, Mg) i modyfikatory (Na, K, Ca, CuB2, CuZr, CuTi) oraz dodatki modyfikatorów w folii Al. Dla form piaskowych jako spoiwo przyjęto żywicę fenolową MM-1001E. Wszystkie formy miały zainstalowane termoelementy w ściśle oznaczonych punktach. Według wcześniej opracowanego projektu. Dla przeprowadzenia eksperymentów przyjęto jednolity schemat działania. Metal po stopieniu i przeprowadzeniu zabiegów rafinująco - modyfikujących był wlewany kolejno do form: metalowej, a następnie do dwóch form piaskowych. Po obniżeniu się temperatury odlewy wybijano i studzono. Z odlewów wycięto próbki do dalszych badań. Wykonano ponad 25 odlewów próbnych kuli o średnicach 50 mm oraz kuliste odlewy próbne dla oceny przebiegu procesu krzepnięcia. Odlewy wykonano uwzględniając opracowany dobór modyfikatorów.

5 104 Dla każdego z odlewów wykonano pomiary temperatur oraz charakterystyk procesu krzepnięcia. Pomiary wykonane zostały w metalu oraz w formie zgodnie z przygotowanym projektem - w środku kuli oraz w punktach w równych odległościach od środka kuli rozmieszczono termoelementy. Dla wybranych punktów przygotowano wykresy między innymi rozkładów temperaturowych i przebiegi gradientów oraz pierwszej pochodnej czyli prędkości określonej propagacji frontu krzepnięcia. Rozkłady temperatur w wybranych punktach odlewu przedstawiono na rys. 4,5,6. A/1 (kokila) A1/1 A1/2 A1/3 A1/4 A1/5 T, C ,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 t, s Rys. 4. Rozkład temperatur (kokila). A/2 (forma piask.) Fig. 4. Temperature distribution (metal mould) A2/1 A2/2 A2/3 A2/4 A2/5 T, C ,0 50,0 100,0 150,0 200,0 t, s Rys. 5. Rozkład temperatur (forma piaskowa). Fig. 5. Temperature distribution (sand mould). 250,0 300,0 350,0

6 T, C 105 A/3 (forma piask. izol.) A3/1 A3/2 A3/3 A3/4 A3/ ,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 Rys. 6. Rozkład temperatur (forma piaskowa izolowana). Fig. 6. Temperature distribution (insulate sand mould). 5. BADANIA SYMULACYJNE Dokonano wstępnej symulacji procesu krzepnięcia kuli programem MAGMA. Badano przebiegi rozkładów pól temperaturowych w wyznaczonych punktach kuli oraz w masie formierskiej. Obliczenia numeryczne przeprowadzone przy wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania odlewniczego MAGMA pozwalają określić przebieg procesu zalewania formy ciekłym metalem, procesu krzepnięcia w zakresie temperatur liquidus-solidus, a następnie określić rozkłady temperatur w odlewie w trakcie procesu stygnięcia. t, s Rys. 7. Rozkład termopar w badaniach eksperymentalnych. Fig. 7. Thermocouples distribution in experimental investigations.

7 106 Do analizy procesu krzepnięcia stopu miedzi przyjęto założenie, że ciekły metal zalewany jest do kokili stalowej o temperaturze początkowej T 0 =150ºC, a nadlew jest dodatkowo izolowany termicznie. Podstawowe parametry fizykochemiczne, zarówno wybranego stopu miedzi, jak i materiału kokili przyjęto z bazy danych materiałów programu MAGMA. Parametry takie jak przewodność cieplna (λ), gęstość (ρ), ciepło właściwe (C p ) czy współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (α) opisywane są w bazie danych w szerokim zakresie temperatur od temperatury 1ºC do temperatury liquidus. Szczególne znaczenie dla dokładności prowadzonej analizy numerycznej ma dokładna znajomość wartości ww. wielkości w zakresie najbardziej nas interesującym, czyli w zakresie liquidus-solidus. Rys. 8. Obraz procesu krzepnięcia odlewu uzyskany z programu MAGMA. Fig. 8. Picture solidification process of cast from MAGMASoft. Rys. 9. Wektory prędkości przepływu ciekłego metalu w trakcie zalewania formy. Fig. 9. Speed vectors of flow liquid metal in mould pouring.

8 OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ W zakresie zastosowania jedną z metod szybkiego prototypowania uzyskano w bardzo krótkim relatywnie czasie potrzebne oprzyrządowanie. Badania weryfikowano symulacją procesu krzepnięcia zmodyfikowanych stopów miedzi jak to podają rysunki 4-6 odpowiednio dla kokili (rys.4) oraz form piaskowych z masy ze szkłem wodnym (rys.5) z masy izolacyjnej (rys.6). Wystąpiły istotne różnice w zakresie przebiegu temperatury w formie (kokili i formach piaskowych) jak również przebiegi temperatur w odlewie. Typowe krzywe stygnięcia dla kokili (rys.4) znacznie wolniej przebiegają dla form piaskowych, wydłużając znacznie czas stygnięcia. Jak wykazują krzywe stygnięcia dla metalu (brąz BA1032) zróżnicowane przebiegi tych krzywych [T=f(t)] - poza odcinkiem początkowym nie zaznaczają istotnego wpływu modyfikowania. Wpływ modyfikowania na proces krystalizacji zostanie przedstawiony w oddzielnej publikacji. Rys. 3 i 7 przedstawiają przygotowanie modelu symulacyjnego natomiast obraz procesu krzepnięcia odlewu przedstawiono na rys. 8. Na rysunku 9 przedstawiono symulacje zalewania odlewu z uwzględnieniem wektorów prędkości przepływu ciekłego metalu. LITERATURA [1] Rappaz M., Stefanescu D.M: Modeling of microstructural evolution, ASM Handbook, V15, Casting, (1992), pp [2] Fraś E.: Krystalizacja metali i stopów, PWN, Warszawa, [3] Górny Z., Kluska-Nawarecka S., Połcik H., Warmuzek M.: Modelowanie mikrostruktury wybranych stopów. Konferencja Sprawozdawcza PAN, Krynica, wrzesień [4] Kluska-Nawarecka S., Górny Z., Połcik H.: Studies on the solidification of copper and its alloys by means of computer simulation and experimental measurements, Materials Engineering vol.10, 2003, No.3, p.385. [5] Warmuzek M., Rabczak K., Kluska-Nawarecka S., Połcik H., Bieniasz S.: Les modéles physiques et la simulation de la formation de la microstructure d un alliage Al-Si, Fonderie Fondeur d Aujourd hui n o 223, mars 2003, p [6] Pączek Z., Karwiński A., Krokosz J., Przybylski J., Pysz St.: Zastosowanie techniki LOM do wykonywania odlewów. Możliwości, szanse, problemy. Instytut Odlewnictwa, Kraków [7] Lerner Y.S., Kouznetsov V.E.: New trends in rapid prototyping and rapid manufacturing applications in metal casting. Foundry Trade Journal, October 2004, pp

9 108 EXPERIMENTAL AND SIMULATION RESEARCH OF SOLIDIFICATION PROCESSES AIDING BY LASER TECHNIQUE SUMMARY The subject of studies was simulation and experimental research of solidification processes. Some results of temperature distribution are presented in the paper. Laser technique was used to design physical model. The LOM (Laminated Object Manufacturing) is also described in the paper. Recenzował Prof. Józef Gawroński