この技術要約は、Matti Sirviö、Sami Vapalahti、およびJukka Väinölä（VTT Industrial Systems）によって発表された学術論文「Complete Simulation of High Pressure Die Casting Process」に基づいています。本資料は、CASTMANのダイカスト専門家がGemini、ChatGPT、GrokなどのLLM AIの助けを借りて分析・要約したものです。
キーワード
- 主要キーワード: HPDCショットスリーブシミュレーション
- 副次キーワード: HPDC空気巻き込み, プランジャー速度最適化, 鋳造気孔, 流動シミュレーション, キャビティ充填シミュレーション, ダイカスト欠陥
エグゼクティブサマリー（要旨）
- 課題: 高圧ダイカスト（HPDC）において、ショットスリーブの予備充填段階で巻き込まれる空気に起因するガス気孔は、致命的な欠陥です。これを防ぐためのプランジャー動作の最適化は、従来、コストがかかり不正確な試行錯誤に頼ってきました。
- 研究手法: 研究チームは、高度な流動シミュレーションを活用してショットスリーブプロセスをモデル化しました。異なるプランジャー速度および加速度プロファイルが溶湯の波の形成と巻き込まれる空気量に与える影響を比較分析しました。
- 核心的な成果: 本研究は、2段階の一定加速度を持つプランジャープロファイルが、単一で安定した波面（wave front）を形成し、空気の巻き込みを劇的に最小化することを証明しました。対照的に、急激な加速を含む従来のプロファイルは波の衝突を引き起こし、大量の空気を巻き込みます（図7 & 8 vs. 図4 & 5参照）。
- 結論: ショットスリーブプロセスのシミュレーションは、単に有益であるだけでなく、プランジャー動作を最適化するために不可欠です。このデータ駆動型アプローチは、気孔を直接的に削減し、より高品質な鋳物、スクラップの削減、生産準備時間の短縮につながります。
課題：この研究がHPDC専門家にとって重要な理由
数十年にわたり、エンジニアはHPDC部品の故障の主原因である気孔問題に取り組んできました。凝固モデリングは収縮気孔の予測に広く用いられていますが、ガス気孔は依然として解決困難な課題です。ガス気孔には4つの主な原因がありますが、最大の原因は、高速で溶湯を射出するプロセス中に射出システムとキャビティ内に閉じ込められる空気です（Ref. [1], [3]）。
アルミニウムダイカストのような複雑なプロセスでは、溶湯の速度が非常に速いため、慣性と流動運動量が決定的な役割を果たします。最適化されていない流れは、スプラッシングやジェッティングを引き起こし、予測不可能な充填や空気の巻き込みにつながる可能性があります。論文で述べられているように、複雑な部品形状を扱う際、経験的知識のみを用いてこの挙動を正確に予測することは「事実上不可能」です（Ref. [3]）。その結果、許容可能な品質を得るまでに、長く費用のかかる試行錯誤を繰り返すことになります。この研究は、問題の根源であるショットスリーブからこの問題に取り組みます。
研究アプローチ：方法論の分析
空気巻き込みの問題を特定し解決するために、研究チームは射出の最初の段階であるショットスリーブの予備充填段階のシミュレーションに焦点を当てました。本研究は、鋳造プロセスが予備充填段階、金型充填段階、最終加圧段階の3つの段階に分けられると仮定しています。予備充填段階の目標は、空気を巻き込むことなく溶湯をゲートに向かって移動させることです。
研究チームは、完全なナビエ–ストークス方程式を解き、溶湯の自由表面をモデル化できる流動シミュレーションを使用しました。これにより、複雑な流動の先端を正確に追跡し、空気の巻き込みを予測することができました。研究の核心は、2つの異なるプランジャー移動プロファイルをシミュレーションし、比較することでした。
- 従来のプロファイル: プランジャーが一定の低速で移動し、その後急加速する方式（図1）。
- 最適化されたプロファイル: プランジャーが2回の一定かつ制御された加速で移動する方式（図7）。
結果として生じる波の形成と、金属と混合した空気の体積分率を可視化することで、各アプローチの効果を直接定量化することができました。シミュレーション結果は、実際のショートショット実験によって検証されました（図9）。
核心的な成果：主要な研究結果とデータ
シミュレーション結果は、プランジャー制御が品質にどのように直接影響するかを明確かつ視覚的に示しています。
- 結果1：最適化されていないプランジャープロファイルはエアポケットを生成する: 一定速度の後に急加速する従来のプロファイルは、浅い初期波を生成しました。2番目の高加速段階は、最初の波を乗り越える強力なスプラッシング波を発生させました。図3と図4で明確に示されているように、この衝突は溶湯がダイキャビティに到達する前に「かなりの量の空気」を内部に閉じ込めます。図5と図6は、スリーブ内部に形成されたこの大きな気泡を示しています。
- 結果2：最適化された加速は安定した波面を生成する: 2回の一定の加速を用いたプロファイルは、全く異なる結果を生み出しました。各加速によって形成された波面は一体となり、スリーブをスムーズに前進する単一の結合した波面を形成しました。図7に示されるように、この安定した波はシリンダーヘッドにきれいに到達し、「最小限の空気巻き込み」をもたらします（図8）。
- 結果3：ショットスリーブシミュレーションは正確なキャビティ充填分析の前提条件である: 本研究は、ショットスリーブで生成される条件がプロセスの残りの部分にとって重要な開始点であることを実証しました。論文は、キャビティ分析に使用されるデータの信頼性と正確性を確保するために、「キャビティ充填シミュレーションの前にショットスリーブプロセスをシミュレーションすることが不可欠」であると結論付けています（図9）。著者らは、プランジャー動作の最適化は「シミュレーションなしには達成不可能」であると述べています。
HPDC製品への実用的な示唆
- プロセスエンジニアへの示唆: この研究結果は明確な指針を提供します。プランジャー速度プロファイルは推測ではなく、工学的に設計されなければなりません。本研究は、図7に見られるような最適化された多段階加速プロファイルをシミュレーションし実装することで、プロセスの最初の段階で空気の巻き込みを積極的に最小化できることを示唆しています。これにより、論文の結論で述べられているように、HPDCマシンのより精密な制御とセットアップ時間の短縮が可能になります。
- 品質管理への示唆: プランジャープロファイル（図1 vs. 図7）とそれに伴う空気巻き込み（図5 vs. 図8）の間の直接的な視覚的相関関係は、予防的な品質保証のための強力なツールを提供します。単にガス気孔を検査するだけでなく、チームは機械のパラメータが気孔の形成を最初から防ぐように設定されているかを確認できます。
- 金型設計への示唆: この研究は、システム全体が相互に関連していることを強調しています。結論では、「ゲートおよびベントの設計と位置を含むキャビティ形状が非常に重要である」と述べられています。最適化されたショットスリーブプロセスによって生成されるクリーンで空気のない溶湯の流れは、後続のゲートおよびキャビティの充填が設計通りに行われることを保証し、さらなる欠陥を防ぎます。
論文詳細
Complete Simulation of High Pressure Die Casting Process
1. 概要
- Title: Complete Simulation of High Pressure Die Casting Process
- Author: Matti Sirviö, Sami Vapalahti, Jukka Väinölä (VTT Industrial Systems, Conrod Team)
- Year of publication: 文書に記載なし（参考文献に基づき1999年頃と推定）
- Journal/academic society of publication: 記載なし。学会発表資料（例：NADCA）の可能性が高い。
- Keywords: High Pressure Die Casting (HPDC), Simulation, Shot Sleeve, Fluid Flow, Air Entrapment, Porosity, Plunger Speed.
2. Abstract (抄録)
The use of simulation programs saves time and reduces the costs of the casting system design. At the same time it is possible to meet stringent product quality. Simulation can make a casting system optimal: it enables the producing of sound, high-quality castings with fewer experiments. Furthermore environmental savings and economical use of materials can be achieved when the number of test castings is reduced. Foundries use now widely simulation codes that are based on a thermal conduction model where thermal conduction in the melt and liberation of latent heat during solidification are considered. Fluid flow simulations are less used. However, e.g. aluminium die casting is so complicated in which flow momentum plays a crucial role in the mould filling process due to the high velocity of the liquid metal. Inertia effects may cause splashing, jetting or undesirable filling of the metal flow into mould cavity. When considering complex parts, the accurate prediction of mould filling behaviour using empirical knowledge is nearly impossible. In most of the industrial nations, about 70% of the diecast parts go to the automotive industry. Aluminium diecastings are gaining importance in the production of lightweight vehicle bodies, as for example used in new model Audi cars. Therefore, it is even more vital today that these castings can be produced with the high quality methods. In this context the simulation is becoming more essential in the designing process. This paper describes the advantages of the Shot Sleeve simulations to attain better casting system design in HPDC castings. Filling analysis is used to determine the size and location of the gate as well as proper runner system design for ensuring a complete and balanced filling of the part. Shot sleeve simulations in High Pressure Die Casting process ensures the minimum air entrapment during the pre-filling phase.
3. Introduction (はじめに)
Computer simulations of various kinds are gradually becoming widely recognised tools in numerous design processes. Simulation codes are widely used in the foundry industry. Computer simulation of the casting process began with solidification modelling. For this reason, the codes are used, in most cases, for heat transfer calculations in order to predict hot spots and to avoid porosity in castings¹. Fluid flow simulations are less widely used. One of the reasons is that only a few of the codes can adequately simulate highly dynamic flows. On the other hand, all of the known methods require a significant degree of human effort during the pre-processing phase of the simulation process. This excludes the everyday practical use of such methods, when complicated geometries are utilised: The enmeshing process takes simply too long and often calculation meshes must be fixed in order to achieve converged solutions. Furthermore, although the casting geometry has been received from the workshop, adding the channels may involve considerable effort. For these reasons, many foundries tend to trust to their empirical knowledge². However, fluid flow simulations should be used in many instances, e.g. in aluminium die casting, which is particularly because flow momentum plays a crucial role in the mould filling process due the high velocity of the liquid metal. Inertia effects may cause splashing, jetting or undesirable filling of the metal flow into mould cavity. When considering complex parts, the accurate prediction of mould filling behaviour using only empirical knowledge is virtually impossible³. It is commonly accepted that shrinkage and gas are two major causes of porosity. The shrinkage porosity is associated with the hot spot in the casting. The gas porosity has four different reasons: 1) Trapped air that is entrained in the injection system and cavity: 2) Gas generated from burned lubricants; 3) Gas generated from water that may be in cavity and 4) Hydrogen gas. The gas porosity due to the trapped air is an unwanted byproduct of relatively high velocity injection method used. Gas entrapment is caused by turbulent flow pattern generated during metal injection process. The location, size and total volume of contained gas porosity are influenced by the method chosen to fill cavity with molten alloy. In high pressure die casting, some efforts have been made to reduce air entrapment by the modification of conventional injection shot profile taking advantages of the development of advanced and reliable control systems.
4. 研究の概要
研究テーマの背景:
高圧ダイカストは、特に自動車産業において主要な製造プロセスです。しかし、高速射出プロセス中に溶湯に空気が巻き込まれることによって生じるガス気孔のような品質問題に影響されやすいです。
先行研究の状況:
鋳造業界におけるほとんどのシミュレーションの取り組みは、ホットスポットを予測するための熱および凝固モデリングに焦点を当てていました。流動シミュレーションは、その複雑さからあまり一般的ではありませんでした。その結果、プランジャーの射出プロファイルのような重要なプロセスパラメータは、通常、非効率的な試行錯誤によって決定されていました。
研究の目的:
ショットスリーブの予備充填段階をシミュレーションすることが、最適なHPDCプロセスを設計するために不可欠であることを実証すること。本研究は、シミュレーションを通じてプランジャーの動きを最適化することが、いかに直接的に空気の巻き込みを最小化し、結果として最終的な鋳造品質を向上させるかを示すことを目的としました。
研究の核心:
本研究は、流動シミュレーションを用いた比較研究を実施しました。単一の急加速を持つ従来のプロファイルと、2回の一定の加速を持つ最適化されたプロファイルの2つの異なるプランジャー速度プロファイルをモデル化しました。各プロファイルにおける溶湯の波の形成、速度、および巻き込まれた空気の量を分析しました。
5. 研究方法論
研究設計:
本研究は、コールドチャンバーHPDCショットスリーブ内で2つの異なるプランジャー移動プロファイルをシミュレーションする比較研究設計を用いました。目標は、各シナリオで生じる流体力学を比較し、空気巻き込み量を定量化することでした。
データ収集と分析方法:
データは、完全なナビエ–ストークス方程式を解き、自由表面流をモデル化できる流動シミュレーションプログラム（Flow-3Dと謝辞に記載）を使用して生成されました。これにより、溶湯の速度、波の形成、空気と金属の体積分率に関する詳細な可視化が可能になりました。シミュレーション結果は、実際のショートショット実験によって検証されました。
研究テーマと範囲:
本研究は、コールドチャンバーダイカストプロセスの予備充填段階に特化して焦点を当てています。その範囲は、ショットスリーブ内の流体力学と、プランジャーの速度および加速度プロファイルが波の形成と空気の巻き込みに与える直接的な影響に限定されています。
6. 主な結果
主な結果:
- 従来のプランジャープロファイル（一定速度の後の高加速）は、衝突する2つの明確な波を生成し、溶湯内に大きな気泡を閉じ込めます（図1-6）。
- 2回の一定の加速を使用する最適化されたプランジャープロファイルは、単一で安定した結合波面を生成し、最小限の空気巻き込みでスリーブをスムーズに充填します（図7-8）。
- 論文は、プランジャー動作の最適化は「シミュレーションなしには不可能」であり、信頼性の高いデータを得るためにはキャビティ充填シミュレーションの前にショットスリーブシミュレーションを実行することが「不可欠」であると結論付けています（図9、結論）。
図の名称リスト:
- Fig. 1. Slow shot profile, that has two plunger accelerations.
- Fig.2. First acceleration cause shallow wave. (Colour scale:Meters per second).
- Fig.3. Second acceleration causes splashing wave which is crushing shallow wave.
- Fig.4. When these two waves collide, a large air entrapment is formed inside the waves.
- Fig.5 and 6.. Volume fraction picture illustrates air entrapment and how the air mixes with the metal. In these pictures, it can be seen how the two waves form an air bubble inside the sleeve. (Colour scale - volume fraction: White is 100% metal and blue is 100 % air)
- Fig. 7. The plunger is moved using two constant accelerations. The two waves form a combined wave front which hits the cylinder head. Minimal air entrapment occurs. (Colour scale: Meters per second).
- Fig. 8. The two waves form a combined wave front which hits the cylinder head. Minimal air entrapment occurs.
- Fig.9. Short shot experiments proved that it is vital to simulate shot sleeve process before cavity filling simulations.
7. Conclusion (結論)
Shot sleeve simulations give valuable information to the manufacturer what will be the final quality of the product. If the HPDC machines could be controlled according to these simulation results, it would mean substantial savings in lead times, production planning and high decrease in scrap production. Along with cavity pre-fill percentage and transition time, cavity geometry including the design and locations of gates and vents was found to be very important parameter to be considered to achieve optimal cavity fill in terms of air entrapment. The shot sleeve process is quite difficult process to simulate and the efficient usage of results require the possibility to control HPDC machines. Following direct improvements could be gained:
- Improvement of the casting quality by minimising the entrapped air during the shot sleeve process
- Minimising set up time during the start of casting process
- Possibility to control HPDC machines more precisely
- Optimisation of the whole casting process by controlling filling with optimal plunger movement
- Shorter lead time during the tool designing process
- Less scrap and waste production when new design is taken on the use.
Simulations demonstrated the importance of calculating the filling of the casting in Aluminium Casting process. With certain castings, there are situations where the channel design can prevent the proper filling of the casting. These situations are very difficult to predict without simulations. Shot Sleeve simulations proved that it is extremely important to simulate the process with actual plunger movements. The optimisation of plunger movement is impossible to achieve without simulation. It is important that the simulation program employed is able to model the free surfaces of the flow correctly in order to predict air entrapment.⁵
8. References (参考文献)
- [1] Sirviö, M. and Martikainen, H. “Simultaneous engineering between workshops and foundries”. Int. Conf. on Best Practices in the Production, Processing and Thermal Treatment of Castings. Singapore, 10 - 12 Oct. 1995. Paper 17-1-6
- [2] Sirviö, M. and Louvo, A. “Use of simulated porosity for avoidance of casting defects”. International GIFA Congress Metal Casting '94 (GIFA '94). Dusseldorf, 15 - 18 June 1994. German Foundrymen's Association (1994), 8 p.
- [3] Thorpe, W., Ahuja,V., Jahedi, M., Cleary,P. and Stokes, N,. “Simulation of Fluid Flow Within the Die Cavity in High Pressure Die Casting Using Smooth Particle Hydrodynamics”. Trans 20th Int Die Casting Cong & Expo, NADCA, Cleveland, 1999, T99-014.
- [4] Brevick, Jerald R., Professor, “Computer Flow Modeling of Cavity Pre-fill Effectsin High Pressure Die Casting”. Trans 20th Int Die Casting Cong & Expo, NADCA, Cleveland, 1999, T99-011.
- [5] Sirviö, M. “Computer integrated patternless casting process for SMEs (Project BE - 1969)”. EUR 18160. Proceedings of the Conference on Industrial Technologies. Toulouse, 27 - 30 Oct. 1997. European Commission. Luxembourg (1998), 116
- [6] Venkatsen and Shivipouri, “Numerical investigation of the effect of gate size of die casting parts”. Trans 18th Int Die Casting Cong & Expo, NADCA, Indianapolis, pp.66-74.
専門家Q&A：あなたのトップクエスチョンへの回答
Q1：多くの人がキャビティ充填に注目する中で、なぜショットスリーブのシミュレーションがそれほど重要なのでしょうか？
A1： この論文は、溶湯の初期条件がショットスリーブで確立されることを証明しています。不適切なプランジャー動作は、図4、5、6に示されるように、金属がゲートに到達する前に「かなりの量の空気」を巻き込む可能性があります。論文は、プロセス全体に関する信頼性の高いデータを得るために、「キャビティ充填シミュレーションの前にショットスリーブプロセスをシミュレーションすることが不可欠」であると述べています（結論、図9）。
Q2：研究で空気の巻き込みを減らすのに最も効果的だとされた具体的なプランジャー移動プロファイルは何ですか？
A2： 研究では、2回の一定の加速を用いるプロファイルがはるかに優れていることがわかりました。これは、図7と8で示されているように、「最小限の空気巻き込み」でスリーブをスムーズに移動する単一の結合した波面を生成します。これは、波が衝突して空気を閉じ込める従来のプロファイルとは対照的です。
Q3：空気の巻き込みを避けるために、プランジャーの速度を遅くするだけで十分ですか？
A3： いいえ。論文は、速度が低すぎると「結果として生じる波はチャンバーの断面を適切に満たすほど十分に高くならない」と明確にしています。逆に、速度が高すぎると「空気を閉じ込めるサージング波を引き起こします」。重要なのは速度だけでなく、安定したバンクアップ波を作り出すための最適な加速度プロファイルです（ショットスリーブシミュレーションのセクション）。
Q4：品質向上以外に、このシミュレーションアプローチを導入することによるビジネス上の利点は何ですか？
A4： 結論のセクションでは、「リードタイムの大幅な節約」、「スクラップ生産の大幅な削減」、「セットアップ時間の最小化」、「金型設計時のリードタイム短縮」など、いくつかの直接的なビジネス上の利点が挙げられています。これにより、金属を鋳造する前にプロセスの最適化が可能になり、時間と材料を節約できます。
Q5：この最適化は、経験的知識や試行錯誤で可能ですか？
A5： 論文は、複雑な部品の場合、それは事実上不可能だと主張しています。「プランジャー動作の最適化はシミュレーションなしには不可能」であると述べています（結論）。さらに、「経験的知識のみを用いて充填挙動を予測することは事実上不可能」です（はじめに）。
結論と次のステップ
この研究は、HPDCにおける部品品質を向上させるための貴重なロードマップを提供します。しばしば見過ごされがちなショットスリーブ段階に焦点を当てることで、この研究結果は、空気の巻き込みを最小化し、気孔欠陥を減らし、最初のステップから生産を最適化するための明確でデータ駆動型の道筋を示しています。
CASTMANでは、お客様の最も困難なダイカストの問題を解決するために、最新の業界研究を応用することに専念しています。この論文で議論されている問題がお客様の運用目標と共鳴する場合、当社のエンジニアリングチームにご連絡いただき、これらの高度な原則をお客様のコンポーネントにどのように実装できるかについてご相談ください。
著作権
- 本資料は、「Matti Sirviö, Sami Vapalahti, Jukka Väinölä」による論文「Complete Simulation of High Pressure Die Casting Process」に基づいています。
- 論文の出典：原文の出版詳細に記載の通り、VTT Industrial Systems。
本資料は情報提供のみを目的としています。無断での商業利用は禁じられています。Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.