壓鑄仿真的案例
計算機仿真克服薄壁鎂壓鑄件帶來的挑戰
引言
近年在華南地區流行生產鎂壓鑄件的本港廠商,可以引用計算機仿真技術解決模具
設計上的棘手問題.鎂壓鑄件質輕耐用的特點,成為3C產品外殼的首選物料.3C產品
外型復雜而且纖薄,是制模技術上的一大挑戰.本港廠商若要打開這個高增值的市場,
計算機輔助設計設備是不可或缺的工具.
在目前多種解決薄壁鎂壓鑄件的方案中,計算機仿真投扮演重要的角色.限制薄壁
成型的技術因素眾多,包括產生冷隔,氧化層部位及困氣位置等.從前上述問題必須經
過重復試模辦法方可解決,所以工程師可能需要花上六個星期的時間去改進試產模具的
內澆口,橫澆道和排氣系統,甚至不知道需要經過多少次的改動,才能穩定地生產高質
量的零件.
德國Laichingen的Werkzeugbau Schaufler壓鑄模具制造商為解決鎂壓鑄的缺陷問題,
采用計算流體動力學(CFD)軟件,在計算機上進行多種的壓鑄仿真,從中挑選最好的
模具設計方案.計算機仿真可以迅速且精確地計算設計方案,提供壓鑄模具型腔內部特
定條件下的詳細資料.采用這種方法,Werkzeugbau Schaufler近年成功生產五十多種高
質量的薄壁鎂鑄件.
Schaufler專門從事鋁和鎂壓鑄件的模具制造,其設備占地超過五萬平方英尺;可提
供重達35噸的傳動及離合器機架,機體結構件和進氣歧管的模具.該公司最近成立技
術中心,以滿足客戶縮短開發時間的要求,并減少用砂型鑄造模型,改為用壓鑄件原型.
其Lajchingen壓鑄中心(DCL)的特色,在于擁有一組以2700噸鎖模力壓鑄機為基礎的
自動壓鑄單元 — Buhler SC 270N,當中還包括鋁及鎂合金熔爐,半固態壓鑄(SSM)金
屬塊加熱站,ABB噴涂料和取件機器人,冷卻池及加工中心.
展開 基于壓鑄車門的設計與仿真
摘 要:本文以一款現有無邊框車門的結構進行重新設計,保留車門外板的外形和內板,用 CATIA 進行設 計,根據壓鑄特征對車門進行重新設計。根據車門強度剛度要求選用上海交通大學合金中心彭立明教授研發專利 免熱處理材料作為壓鑄材料[1]。根據 CATIA 的逆向掃描提取出車門曲面,重新設計后將數模導入 HyperWorks 對模型進行處理并劃分網格,用 HyperWorks自帶的 Optistruct求解器對車門的剛度、和模態分析進行求解,結果 表明該車與傳統的沖壓車門相比門力學性能得到了極大的提高。
關鍵詞:HyperWorks;CATIA;模態分析;剛度分析
0 前言
車門汽車覆蓋件中的重要組成部分,傳統的車門制造 技術對材料有限制,生產效率低,磨具開發時間長。 為了 提高生產效率及減輕車門的重量,本文利用壓鑄技術對車 門進行設計仿真分析。 壓鑄技術現發展已經比較成熟,鑄 造的種類有很多種,比如壓力鑄造、真空鑄造、消失模鑄 造、反重力鑄造、擠壓鑄造、離心鑄造等多種加工方式,根 據零件的不同特征可以選用不同的加工工藝生產。 隨著 壓鑄機械和壓鑄材料在近幾年取得的重大發展,壓鑄這一 制造工藝的優點收到人們的青睞。 在2008年就已經有企 業開始采用鑄造的加工工藝,但是由于當時材料和設備的 限制,鑄造一直沒有得到發展。 在德國所斯特生產 的 尼 桑,運用真空壓鑄技術生產出了面積為0.5m2 的零件,壁 厚僅為0.2~0.3mm,實現了減重30%。
1 研究現狀
壓鑄的材料和設備現已比較成熟,在2020年特斯拉 的6000t舉行壓鑄機已經投入生產,并將車身后部底板的 七十多個零部件制造成一體部件,極大的提高了生產效率 并且降低了成本,同時也對汽車的輕量化起到了積極的作 用。
展開 電子開關的制造：壓鑄件的設計以及仿真方案
上海析模科技有限公司---FLOW-3D中國指定代理
作者：馬克利特（Mark Littler of Littler Diecast Corporation）
利特壓鑄集團（Littler Diecast Corporation）為一個航天設備上的電子開關進行設計，并且打算以壓鑄制程制作。當設計完成交給另外一家制造廠進行量產時，鑄件成品的品質發生了嚴重的問題，鑄件需要重新設計，以減少廢品率。Littler Diecast 以 FLOW-3D 進行仿真方案設計，希望從仿真結果中找出鑄件發生品質不良的原因，協助客戶解決這個棘手的問題。
X-ray of original part, showing porosity problems.
問題點的判斷判斷
這個電子開關的材料為 Al-380，尺寸大約是1 ?” x 1” x 1/2” 。 Littler Diecast 發現縮孔的位置主要位于兩個區域，分別是中央平板的區域以及圓筒的區域。這個結果經過客戶以 X-Ray 測試驗證確認。縮孔形成的主要原因來自于金屬的流動方式。金屬融湯從圖一的澆口位置進入，噴濺到鑄件的底部再形成回包的現象。減入空氣后，由于金屬固化的速度相當快，該位置發生鑄不滿現象。在圓筒處的問題發生原因與平板位置相同。流體會先充填離澆口位置最遠處再形成回包卷氣，卷入的空氣無法從分模面上排出。
圖一, 原始設計，采用單一澆口。
展開 FLOW-3D 應用案例--電子開關的制造：壓鑄件的設計以及仿真方案
電子開關的制造：壓鑄件的設計以及仿真方案
作者：馬克利特（Mark Littler of Littler Diecast Corporation）
利特壓鑄集團（Littler Diecast Corporation）為一個航天設備上的電子開關進行設計，并且打算以壓鑄制程制作。當設計完成交給另外一家制造廠進行量產時，鑄件成品的品質發生了嚴重的問題，鑄件需要重新設計，以減少廢品率。Littler Diecast 以 FLOW-3D 進行仿真方案設計，希望從仿真結果中找出鑄件發生品質不良的原因，協助客戶解決這個棘手的問題。
問題點的判斷判斷
這個電子開關的材料為 Al-380，尺寸大約是1 ?” x 1” x 1/2” 。 Littler Diecast 發現縮孔的位置主要位于兩個區域，分別是中央平板的區域以及圓筒的區域。這個結果經過客戶以 X-Ray 測試驗證確認。縮孔形成的主要原因來自于金屬的流動方式。金屬融湯從圖一的澆口位置進入，噴濺到鑄件的底部再形成回包的現象。減入空氣后，由于金屬固化的速度相當快，該位置發生鑄不滿現象。在圓筒處的問題發生原因與平板位置相同。流體會先充填離澆口位置最遠處再形成回包卷氣，卷入的空氣無法從分模面上排出。
原始設計
原始設計中還有其他的問題，在電子開關的墊圈設計周圍發生了嚴重的泄漏現象，主要原因在于原始設計的溢料井太小，導致夾雜氧化膜的金屬融湯無法被完全的排出模穴。
利用 FLOW-3D, Littler Diecast 重新分析該鑄件的流動狀況，并且找出問題發生的主要原因。由于鑄件尺寸不大，過快的冷卻速度會造成鑄件太早固化。因此，設計人員希望最后填入模穴的金屬融湯能夠以較高的溫度進入模穴，讓金屬融湯可以充分填滿模穴并且進行保壓。
展開 
FLOW3D鑄造仿真分析
該仿真提供了對鑄件的填充和凝固的詳細仿真分析，同時跟蹤不同類型的指標，如：充型，固化，孔隙，表面氧化物，夾帶的空氣和卷氣，熱應力和變形等各種缺陷。 FLOW-3D CAST還可以分析模具或模具的熱曲線以及其他性能，例如 FLOW-3D CAST的芯體充氣。仿真分析優化可縮短模具的開發時間，加快產品上市時間并提高產量。FLOW-3D CAST 使設計人員在使用新鑄造工藝或新合金材料時節省設計時間和開發成本。
結合直觀和漸進的用戶界面，FLOW-3D CAST 通過成功的項目指導建模人員提供精確的填充和凝固缺陷預測。可用套件進行砂型鑄造，永久鑄模鑄造和高壓鑄造，建模人員可以使用最符合工藝要求的套件。詳細了解哪個套件適合您>
FLOW3D能夠完成的仿真課題：
高壓鑄造仿真（壓鑄仿真）
低壓鑄仿真
傾斜鑄造仿真
重力鑄造仿真
熔模鑄造仿真
離心鑄造仿真
連鑄仿真
連續鑄造仿真
半固態金屬仿真
首飾鑄造仿真
精密鑄造仿真
金屬鑄造仿真
鑄造凝固收縮分析
氧化夾渣仿真分析
鑄造卷氣分析
鑄造縮孔分析
鑄造縮松分析
砂芯鑄造分析
射沙分析
鑄造排氣分析
鑄造仿真實踐案例：
查看和下載更多鑄造實踐案例
在各種不同的鑄造技術中，高壓鑄造的仿真分析對于某些 CFD 軟件而言是最困難的。
展開 FLOW3D培訓教程（官方培訓教程）-鑄造篇
「FLOW3D鑄造仿真」「模具壽命」「鑄造模具」「鑄造模具優化」
「FLOW 3D鑄造仿真」鑄造方案
優化鑄造方案，提前發現鑄造缺陷，優化澆道設計（進澆截面積、型腔內部速度）、排氣設計、渣包設計、冷卻設計（防止產品變型）、滑塊方案。「鑄造方案」「排氣」「渣包」「冷卻」
如何從鑄造原理出發，通過仿真分析優化鑄造方案？工藝因素帕斯卡原理、伯努利定理、壓鑄機結構、壓鑄機、壓鑄的射出過程、高速低速、充填時間、鑄造壓力、射出波形。「鑄造原理」「壓鑄機」「充填時間」「射出波形」
工業軟件破局 汽車零部件的內痛
特斯拉在2019年的研發費用約為13.4億美金，其中很大一部分用于一體式壓鑄技術的研發。特斯拉在該工藝研發過程中，專門成立了壓鑄CAE仿真技術研發團隊，開發了多壓室壓鑄成型仿真軟件，通過虛擬仿真快速驗證可行性，大幅縮短了開發周期。可以看出，CAE在汽車核心零部件的開發過程扮演著相當關鍵的角色，但在國內自主車企中，其價值被一直低估。
粗放生產不打破不行
影響汽車壓鑄件成品率的因素眾多，但70%取決于壓鑄模具的設計水平。觀察國內外技術領先的壓鑄企業，如中信戴卡，豐田合成等，模具前期方案開發周期約為1-2個月，在此期間，模具設計師會做3-5種不同的方案，通過CAE仿真確認較優的方案，然后基于該方案進行深入的迭代優化，設計變革高達二、三十次，有時甚至上百次。通過這種迭代優化設計的模具，一次試模成功率可以高達95%，壓鑄成品率則可以高達98%。而反觀國內大多數壓鑄企業，模具前期方案開發周期僅為1-2周，通常只足夠三維CAD建模。如此短的設計周期，對于核心的澆注系統設計和模具熱平衡冷卻設計的迭代優化是遠遠不夠的。1-2周時間只允許模具設計師出具1-2種設計方案，CAE模擬仿真也僅用于預測并避免重大的設計失誤，對于迭代優化根本發揮不出應有的價值。
壓鑄件成品率和企業利潤息息相關，如果鑄件的盈虧平衡點為85%，98%成品率所帶來的利潤率是90%，成品率對應利潤率的2.5倍。國內壓鑄廠的平均成品率為92%，德國壓鑄廠的平均成品率為98%，可以看出利潤率差距會非常大，德國約為中國的2倍。
國內一家前50強的壓鑄企業，從國外鑄件獲取訂單，到第一批樣件交付，僅有2個月的時限。該企業不具備模具設計加工能力，模具通過外委的方式交由寧波當地一家知名模具企業設計加工。由于工期和成本的壓縮，模具設計質量很差，僅能勉強交付樣件。
展開 鑄造溫度控制-FLOW-3D在澆鑄以及熱裂問題判斷的成功應用
壓力的大小影響射速，由壓射缸的截面積和工作液的壓力所決定「高壓鑄造」「壓力鑄造」「壓鑄工藝」
如何確定鑄造工藝？高壓鑄造適用范圍？鑄件分為有強度要求的和一般要求的兩類,對于有強度要求的,應該具有良好的致密度.這是應該采用高的增壓比壓「FLOW3D鑄造仿真分析」「高壓鑄造」「壓力鑄造」「壓鑄工藝」
如何設定壓力鑄造壓力、射速？考慮工藝因素和結構復雜程度，導熱和比熱性，凝固溫度范圍，模具溫度，結構。「射速」「壓射速度」
「FLOW3D鑄造仿真」材料
壓鑄鋁合金中各元素的作用和影響「高壓鑄造」「壓力鑄造」「壓鑄工藝」
「FLOW3D鑄造仿真」壓鑄模具
如何優化設計壓鑄模具設計（鑄造模具）？模具結構考慮因素湯餅，湯道，澆道，澆口，產品，真空澆道頭，鑄孔，渣包，優化模具設計。「FLOW3D鑄造仿真」「壓鑄模具」「鑄造模具」「鑄造模具設計優化」
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優化鑄造方案，提前發現鑄造缺陷，優化澆道設計（進澆截面積、型腔內部速度）、排氣設計、渣包設計、冷卻設計（防止產品變型）、滑塊方案。「鑄造方案」「排氣」「渣包」「冷卻」
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展開 優化鑄造方案，提前發現鑄造缺陷-將CFD（FLOW3D）分析集成到壓鑄工藝設計中
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展開 鑄造工藝優化-FLOW3D如何實現壓射缸行程參數設定的最佳化
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展開 鑄造模具方案優化-用核心氣體模型檢測孔隙度（鑄造仿真分析-FLOW3D）
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展開 
壓鑄定量爐上料、壓射 ￥1
冷室壓鑄機，模擬仿真過橋上鋁液流動，及沖頭運動過程中料筒內的鋁液流動。
視圖1中，曲線為隨時間變化料筒平均溫度。料筒初始溫度150℃，溫控水路簡化忽略。
視圖3右上角曲線，為沖頭行程和速度隨時間變化曲線，仿真只計算到鋁液到內澆口。
視圖3左下角曲線，為料筒靠近分流錐處取高低不同位置的溫度值曲線，反應鋁液在料筒中的溫度變化。
對整個過程簡化較多，方便計算。仿真結果與實際對比視頻見付費內容，有興趣可以參看交流。
AI+仿真：驅動工業智能變革新引擎（內含100個AI應用案例下載）
在壓鑄過程的仿真中，它可以識別不同設計變體的均勻性行為，如澆口處的流速或流動前沿等，以及確定澆口幾何形狀的最佳數量、尺寸和位置等。
圖 3 ：產品開發中的 AI 和仿真。應用領域、輸入變量、使用的方法、預期結果和優勢，以及在 Altair 工具中的實施。
Altair 助力工程與 AI
Altair將AI與生成式設計、先進CAE技術深度融合，形成了一套面向巨型鑄造結構的完整開發流程。該方法支持多學科變體分析，可同時處理數千種仿真方案，幫助企業快速鎖定最優解。
通過將專家知識系統化、可擴展化，Altair幫助用戶將AI深度融入仿真與制造全流程，實現從概念到量產的一體化智能設計。
同時，作為工程數據分析和 AI 解決方案的領先提供商，Altair 是獨一無二的，因為它集合了兩種語言：工程和 AI。Altair 的無代碼 AI 解決方案讓新手和專家都可以輕松訪問機器學習和 AI平臺。總而言之，Altair 可以幫助各個公司組織實現仿真和數字化的轉型。
關于 Altair 澳汰爾
Altair 是計算智能領域的全球領導者之一，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領域提供軟件和云解決方案，服務于16000多家全球企業，應用行業包括汽車、消費電子、航空航天、能源、機車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。
近期，Altair被全球工業軟件領導者西門子收購，成為西門子數字化工業軟件(Siemens Digital Industries Software)旗下成員，進一步鞏固西門子在仿真和工業人工智能領域的全球領導者地位，其技術正與西門子Xcelerator解決方案進行深度整合。
欲了解更多信息，歡迎訪問：
www.altair.com.cn
展開 鑄造缺陷預測-FLOW3D熔模鑄造收縮缺陷預測（凝固、縮松、卷氣、夾渣）
「FLOW3D鑄造仿真」壓力、速度
如何設定壓力、控制速度（射速）、控制溫度等參數？！壓鑄金屬按填充型腔過程，需要考慮壓力、速度、溫度以及時間等工藝因素，使用軟件仿真分析壓鑄過程「高壓鑄造」「壓力鑄造」「壓鑄工藝」
如何設定壓射力最佳壓力值？壓力的大小影響射速，由壓射缸的截面積和工作液的壓力所決定「高壓鑄造」「壓力鑄造」「壓鑄工藝」
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「FLOW3D鑄造仿真」材料
壓鑄鋁合金中各元素的作用和影響「高壓鑄造」「壓力鑄造」「壓鑄工藝」
「FLOW3D鑄造仿真」壓鑄模具
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展開 利用仿真軟件解決鑄件的微縮孔現象
我們利用仿真軟件協助開發工作的進行，計與量產端之間能夠更緊密的配合。
傳統的設計作法，仰賴工程師的經驗以及猜測。最大的問題在于，要驗證設計是否成功，只能夠等到模具制作完成，并且進行試模后才能夠得知。一般來說，模具需要經過多次修改，才能夠達度令我們滿意的結果，而這些修改模具的費用，至少需要花費數萬美金。由於這些測試中花費的時間以及成本對于工程師來說是不得不的作法，因為只能夠透過這樣的作法，才能夠得到設計修正的建議方案。
以仿真軟件的結果取代試模
早在二十世紀 90年代起，奧爾巴尼-芝加哥的工程師開始使用簡單的一維流動模具設計軟件。軟件的功能僅能提供簡單的流動資訊。軟件提供的資訊有助于模具設計，但是仍然無法對整個壓鑄過程進行仿真計算。盡管如此，在壓鑄業界，我們仍然首先投入人力評估軟件的可靠度以及進行使用，我們希望透過軟件解決設計上遇到的問題，尤其是在模具制作前讓工程師能夠提前掌握問題點。我們采用真實的壓鑄結果與市場上能夠取得的 CFD 軟件的分析結果進行比對，以實際的案例驗證軟件的功能是否能夠達到我們的需求。更重要的，是我們希望能夠找到一套軟件，能夠完整的模擬整個壓鑄制程。
我們以實際的壓鑄結果評估了多套商用版鑄造仿真軟件，最后由Flow Science 開發的 FlOW-3D ?軟件勝出。在我們的評估結果中，FLOW-3D 與我們選擇的測試案例結果最為接近。這可能是 FLOW-3D 已經經過了許多鑄造業者以及開發者進行相當多的驗證比對。另一個與其他的市售 CFD軟件最大的不同，在于 FLOW-3D 的結果中加入了許多對于鑄造業者而言相當重要的判讀結果。這讓 FLOW-3D 能夠完美的預測整個壓鑄的制程。
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