金属鋳造シミュレーション

鋳造プロセスシミュレーションは、産業界や冶金業界において、金属鋳造プロセスをモデル化・解析するために用いられる計算技術です。この技術により、エンジニアは実際の生産プロセス開始前に、溶融金属の流れ、結晶化パターン、鋳造品における潜在的な欠陥を予測・可視化することができます。鋳造プロセスをシミュレーションすることで、製造業者は金型設計の最適化、材料消費量の削減、最終製品の品質向上を実現できます。

鋳造シミュレーションにとって極めて重要な熱伝導の理論的基礎は、パリのエコール・ポリテクニークのジャン＝バティスト・ジョゼフ・フーリエによって確立されました。1822年に授与された彼の論文「熱の解析理論」 ^{[ 1 ]}は、固体材料における熱伝導と熱伝達のその後のすべての計算の基礎を築きました。さらに、フランスの物理学者でエンジニアのクロード＝ルイ・ナビエとアイルランドの数学者で物理学者のジョージ・ガブリエル・ストークスは流体力学の基礎を提供し、ナビエ・ストークス方程式の開発につながりました。^{[ 2 ] [ 3 ]} 19世紀にチューリッヒ大学で働いていたアドルフ・フィックは、拡散を記述する基本方程式を開発し、1855年に発表しました。^{[ 4 ]}

鋳造におけるシミュレーションの始まりは、1950年代にV. Pashkisがアナログコンピュータを使用して結晶化前線の動きを予測したことから始まった。^{[ 5 ]}鋳造に関連する問題を解決するためにデジタルコンピュータを初めて使用したのは、1962年にK. Fursund博士で、鋼が砂型に浸透する様子を調べた。^{[ 6 ]} 1965年のJG HentzelとJ. Keverianによる先駆的な研究は、 General Electricが熱伝達をシミュレートするために開発したプログラムを使用して、鋼鋳物の結晶化の2次元シミュレーションを行ったことだった。^{[ 7 ]} 1968年、Ole Vestbyは、溶接中の温度分布を評価する2Dモデルをプログラムするために有限差分法を初めて使用した。^{[ 8 ]}

1980年代は、鋳造プロセスシミュレーションに関する研究開発活動が大幅に増加した時期であり、米国ではJT BerryとRD Pielke、日本ではE. Niyama、ローザンヌではW. Kurz、グルノーブルではF. Durandなど、さまざまな国際的なグループが貢献した。この分野の発展に特に重要な役割を果たしたのは、アーヘン鋳造研究所のPR Sahm教授であった。この時期の重要なマイルストーンは、1980年にHansenとBerry ^{[ 9 ]}による「基準関数」の導入、 1982年に中心気孔率を表すNiyama基準関数^{[ 10 ]} 、 1984年にE. FehlnerとPN Hansenによる鋼鋳物の高温割れ検出のための基準関数の提案であった。 ^{[ 11 ]} 1980年代後半には、鋳型充填をシミュレートする最初の機能が開発された。

1990年代は鋳造における応力とひずみのシミュレーションに重点が置かれ、1990年にはハッテルとハンセンが大きな貢献をした。この10年間には、スウェーデンのI.スヴェンソンとM.ウェッセンの先駆的な研究により、微細構造と機械的特性の予測にも力が注がれた。^{[ 12 ] [ 13 ]}

鋳造は冶金学における複雑なプロセスであり、複数の化学的および物理的現象の相互作用を伴います。鋳造作業を効果的に制御するには、流れ、温度、凝固などのプロセスパラメータを理解する必要があります。鋳造の数学的モデリングは、鋳造プロセスの詳細な分析と最適化を行うために広く使用されています。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

鋳造の数学的モデリングは、熱伝導率、流体力学、相変態などの物理現象を記述する数式を定式化して解く複雑なプロセスです。これらの数式を解くために、さまざまな数値解析手法が適用されますが、その中でも有限要素法（FEM）^{[ 17 ]} 、有限差分法（FDM）、有限体積法（FVM）は特別な位置を占めています。これらの各手法にはそれぞれ固有の特徴があり、特定のモデリングタスクと計算の精度と効率の要件に応じて適用されます。

有限差分法（FDM）：この方法は、有限差分関係を用いて近似される熱および物質移動の微分方程式に基づいています。 ^{[ 18 ]} FDMの利点は、その単純さと多次元問題の解を簡略化できることです。しかし、この方法は複雑な領域の境界をモデル化する際に限界があり、薄肉鋳造品には性能が劣ります。^{[ 19 ]}

有限要素法と有限体積法（FVM）：^{[ 20 ]}どちらの方法も、熱と物質の移動の積分方程式に基づいています。境界の良い近似を提供し、異なる離散化を持つ要素の使用を可能にします。主な欠点は、有限要素ジェネレーターが必要であること、方程式が複雑であること、メモリと時間のリソースに対する要求が大きいことです。

FVMの修正：これらの方法は、FDMの単純さとFEMの境界の良好な近似を組み合わせようとするものです。これらは、異なる材料や相間の境界の近似を改善する可能性を秘めています。^{[ 21 ]}

鋳造プロセスの数学的モデリングのさまざまな方法の分析によると、有限要素法は鋳造シミュレーションのための最も信頼性が高く最適なアプローチの 1 つであることがわかっています。^{[ 22 ]}有限差分法や有限体積法と比較して、計算リソースの要件が高く、実装が複雑であるにもかかわらず、FEM は境界、複雑な形状、温度場のモデリングにおいて高い精度を提供し、これは鋳造品の欠陥を予測し、鋳造プロセスを最適化するために非常に重要です。^{[ 23 ] [ 24 ]}

鋳造プロセス用のコンピュータ支援エンジニアリング（CAE）システムは、世界中の鋳造工場で「仮想鋳造ワークショップ」として長年使用されており、設計者や技術者の頭に浮かんだあらゆるアイデアを実行および検証することが可能です。^{[ 25 ]}鋳造プロセス用CAEの世界市場は既に確立されていると考えられます。^{[ 26 ]}

新規鋳造技術の開発を目的とした社内組織内に、鋳造プロセス用のコンピュータ支援設計部門が設置され、鋳造プロセス用のCAEシステムの運用を担当する。計算は部門の専門家が業務指示に従って実行し、他の部門との連携は技術設計指示によって規定される。^{[ 27 ]}

プロセスは、部品の3D モデルと図面を鋳造技術者に渡すことから始まります。鋳造技術者は、機械工場と鋳造構成を調整し、マージンを決定します。^{[ 28 ]}次に、技術は CAE 部門で開発され、実験的な鋳造のために鋳造工場に移管されます。結果は監視され、必要に応じて、鋳造品は工場の中央研究所で検査されます。欠陥が検出された場合は、CAE 部門でモデル パラメータと技術プロセスが調整され、その後、技術は工場で再度テストされます。^{[ 29 ]}

このサイクルは適切な鋳造品が得られるまで繰り返され、その後、技術が開発されたとみなされ、量産に導入される。^{[ 30 ] [ 31 ]}

現代の鋳造業界では、鋳造プロセスのシミュレーション用ソフトウェアが広く利用されています。鋳造プロセスシミュレーションに利用できるソフトウェアソリューションとしては、ProCAST、MAGMASOFT 、PoligonSoft、そしてFlow Science, Inc.のFLOW-3D CASTなどがあります。

ProCAST: 有限要素法を用いた鋳造プロセスモデリングシステムであり、あらゆる鋳造プロセスおよび鋳造合金に対して、温度、流体力学、変形の問題の統合ソリューションと独自の冶金機能を提供します。鋳造生産の主要な側面である充填、結晶化、気孔率予測に加えて、ProCAST は鋳造における変形と残留応力の発生を予測することができ、コア製造、遠心鋳造、ロストワックス鋳造、連続鋳造などのプロセスを分析するために使用できます。^{[ 32 ]}

PoligonSoft: 有限要素法を用いた鋳造プロセスモデリングシステム。ほぼすべての鋳造技術と鋳造合金のモデリングに適用可能。長い間、PoligonSoft は微細孔率を計算するための特別なモデルを含む世界で唯一の鋳造プロセスモデリングシステムでした。^{[ 33 ] [ 34 ]}現在、このモデルは最も安定していると考えられており、これを使用して得られた結果は最も要求の厳しいユーザーを満足させることができます。多くの点で、PoligonSoft は ProCAST システムのロシア版とみなすことができます。^{[ 35 ]}

MAGMASOFT：有限差分法を用いた鋳造プロセスモデリングシステム。熱プロセス、鋳型充填、結晶化の解析、鋳造品の欠陥予測が可能。^{[ 36 ]}このプログラムにはさまざまな鋳造技術用のモジュールが含まれており、鋳造パラメータを最適化して製品品質を向上させるのに役立ちます。MAGMASOFTは鋳造生産の生産性と品質を向上させるための効果的なツールです。^{[ 37 ]}

FLOW-3D CAST ： Flow Science, Inc.が開発した鋳造プロセスシミュレーションプラットフォームで、金型充填解析に体積流体法を使用しています。このソフトウェアは、精密鋳造、遠心鋳造、傾斜注湯鋳造などの鋳造プロセス全体にわたって金型充填、凝固、欠陥予測をモデル化し、特に高圧ダイカストシミュレーションに強みがあります。^{[ 38 ] [ 39 ]}

鋳造プロセスのシミュレーションは、充填システムが許容できる結果をもたらしたかどうかを判断するユーザーの知識を反映しています。最適化の提案はオペレーターから提供される必要があります。主な問題は、すべてのプロセスが同時に発生し、相互に関連しているため、1 つのパラメータの変更が鋳造品の多くの品質特性に影響を与えることです。^{[ 40 ]}

1980年代後半に始まった自律最適化では、シミュレーションツールを仮想テスト場として使用し、充填条件やプロセスパラメータを変更して最適なソリューションを見つけます。^{[ 41 ]}これにより、多数のプロセスパラメータとそれらがプロセスの安定性に与える影響を評価することができます。

モデル化できるものだけが最適化できることを覚えておくことが重要です。最適化はプロセス知識や経験に取って代わるものではありません。^{[ 42 ]}シミュレーションのユーザーは、目的と、それらの目的を達成するために必要な品質基準を理解し、定量的な解決策を得るためにプログラムに対して具体的な質問を策定する必要があります。^{[ 43 ]}

• 合金– 2種類以上の元素からなる混合物または金属固溶体 
• 鋳造– 液体を型に流し込んで固める製造工程 
• 金属– 材料の種類 
• 金属鋳造– 溶融金属を型に流し込む 

• 鋳造シミュレーションソフトウェア
• 鋳造シミュレーションソフトウェアにおけるマルチスレッドコンピューティングの効率性