12/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, № 15 Archiwum Odlewnictwa,

Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308

BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE PROCESU

KRZEPNIĘCIA Z WYKORZYSTANIEM TECHNIKI

LASEROWEJ

Z. GÓRNY1, S. KLUSKA-NAWARECKA

2, H. POŁCIK

3, R. ŻUCZEK

4

1, 2, 3, 4 Instytut Odlewnictwa, Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

2 Akademia Górniczo-Hutnicza, Zakład Informatyki Przemysłowej, Mickiewicza 30,

30-059 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

101

EEddyyttoorr

ggrraaffii cczz nnyy

((ttwwoorrzz ee nnii ee

mmooddee ll uu 33DD))

SS ttaannoowwii sskkoo LLOO MM ––

wwyykkoonnaannii ee mmooddee ll uu nnaa

ppooddssttaawwii ee rryyssuunnkkuu 33DD

plik *.stl GGoottoowwyy

mmooddee ll

obróbka

wykańczająca

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 p ierwszy 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.).

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 CO2 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

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.

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 przeprowadzen ia 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.

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.

Rys. 4. Rozkład temperatur (kokila). Fig. 4. Temperature distribution (metal mould).

Rys. 5. Rozkład temperatur (forma piaskowa).

Fig. 5. Temperature distribution (sand mould).

A/2 (forma piask.)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0

t, s

T,

°C

A2/1

A2/2

A2/3

A2/4

A2/5

A/1 (kokila)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0

t, s

T,

°C

A1/1

A1/2

A1/3

A1/4

A1/5

105

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.

Rys. 7. Rozkład termopar w badaniach eksperymentalnych.

Fig. 7. Thermocouples distribution in experimental investigations.

A/3 (forma piask. izol.)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0

t, s

T,

°C

A3/1

A3/2

A3/3

A3/4

A3/5

106

Do analizy procesu krzepnięcia stopu miedzi przyjęto założenie, że ciekły metal

zalewany jest do kokili stalowej o temperaturze początkowej T0=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 (Cp) 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.

107

6. 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.883-891.

[2] Fraś E.: Krystalizacja metali i stopów, PWN, Warszawa, 1992.

[3] Górny Z., Kluska-Nawarecka S., Połcik H., Warmuzek M.: Modelowanie

mikrostruktury wybranych stopów. Konferencja Sprawozdawcza PAN, Krynica,

wrzesień 1998.

[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 no 223, mars 2003, p. 26-38.

[6] Pączek Z., Karwiński A., Krokosz J., Przybylski J., Pysz St.: Zastosowanie

techniki LOM do wykonywania odlewów. Możliwości, szanse, problemy. Instytut

Odlewnictwa, Kraków 2003.

[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. 336-343.

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