HPDC技術の革新的な冷却ソリューション

この紹介論文は、[Multidiszciplináris Tudományok] によって発行された ["HPDC技術の革新的な冷却ソリューション"] 論文の研究内容です。

Figure 1. Geometry of the tested casting
Figure 1. Geometry of the tested casting

1. 概要:

  • タイトル: HPDC技術の革新的な冷却ソリューション (INNOVATIVE COOLING SOLUTIONS OF HPDC TECHNOLOGY)
  • 著者: Zoltán Ferenc Bratu, János Péter Erdélyi, Dániel Molnár
  • 出版年: 2024年
  • 掲載ジャーナル/学会: Multidiszciplináris Tudományok, 14. kötet, 3. szám
  • キーワード: HPDC, 3Dプリントスライダー, レーザーカシング, 冷却技術

2. 概要 (Abstract)

高圧ダイカスト (HPDC) において、スライダーは金型の可動部品であり、キャビティ、穴、アンダーカットを形成することができます。スライダーは、冷却と熱バランスに関して、固定金型と可動金型とは大きく異なります。スライダーは、さまざまな領域で局所的な熱放散を改善するためにも使用できます。スライダーには冷却穴が装備されており、金型キャビティの奥深くまで浸透する穴形成コアを焼き戻すことができます。業界でますます複雑な鋳物が製造されるにつれて、さまざまな金型、インサート、キャビティの冷却システムもそれに応じて進化してきました。これにより、熱放散が改善された3Dプリント金属インサートの使用など、金型と金型インサートの冷却における革新的なソリューションと開発が実現しました。この記事では、従来の冷却スライダーと3Dプリントスライダーの冷却の違いを比較します。シミュレーション実験を通じて、さまざまな冷却強度での冷却効率と工具温度を調査します。さらに、凝固段階の終わりに、さまざまな金型と冷却強度の金型温度と抽出された熱を調べます。

3. 研究背景:

研究テーマの背景:

高圧ダイカストは急速に発展している産業です。

先行研究の状況:

最も重要な開発動向の1つは、鋳造サイクル時間と潤滑剤の適用量を削減することです (ASM Metals Handbook, 1998; Butler, 2005; Andresen, 2005)。これらの目的を達成するための1つの手段は、金型にさまざまな革新的な冷却技術を使用して、より抜本的な冷却を達成することです (Cho et al., 2014; Jarfors et al., 2021)。

研究の必要性:

// 提供されたテキストには明示的に記載されていませんが、HPDC、特に複雑な鋳物の冷却効率を改善し、サイクルタイムを短縮する必要性があることを暗に示しています。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

HPDCにおける従来の冷却スライダーと3Dプリントスライダーの冷却の違いを比較すること。

主要な研究:

  • さまざまな冷却強度での冷却効率と工具温度を調査する。
  • 凝固段階の終了時に、さまざまな金型と冷却強度の金型温度と抽出された熱を調べる。

5. 研究方法

この研究では、市販のMagma鋳造シミュレーションソフトウェア (www.magmasoft.de) を使用したシミュレーション実験を採用しました。実験形状は、2つのサイドスライダー、1つのトップスライダー、および1つの固定サイド斜め移動スライダーを備えた単一キャビティダイカスト金型でした。金型の外形寸法は876 x 783 x 687 mmです。テスト対象の鋳物の複雑さは、図1に示されています。Reglopast冷却および加熱ユニット (www.regloplas.com) を使用して、オイルおよび水冷回路によって金型を冷却しました。スライダーの材質は、1.2343 (ESU HRC47) 熱間加工鋼 (uddenholm.com) です。

実験には、元の鋳造材料スライダーと実験的に最適化された3Dプリントスライダーの比較が含まれていました。3Dプリントスライダーは、レーザーカシングを使用して作成され、元の鋳造スライダーと同じ材料品質 (1.2343 (ESU HRC47)) を持っていました。図2-3は、元の鋳造材料スライダーの冷却システムを示しています。図4-7は、3Dプリントされた背景の冷却システムを示しています。図8と図9は、3D金型設計からインポートされた各冷却システムの構造を示しています。

以下を調査するためにシミュレーションテストを実施しました。

  1. 充填および凝固中の温度条件。
  2. 凝固段階で放散される熱量。
  3. 鋳物に形成された収縮キャビティの位置と形態。

材料特性、初期条件、および境界条件は、実際の生産条件に対応していました。表1は、実行された4つのシミュレーション計算の主要なパラメーターを示しており、冷却タイプ (3Dプリントの場合はSLM、従来型の場合はConv.) と熱伝達係数を変化させています。

6. 主要な研究結果:

主要な研究結果と提示されたデータ分析:

  • 図10は、さまざまなシミュレーションバージョンのスライダー温度を示しています。従来のスライダーの温度は、3Dプリントスライダーの温度よりも40〜50°C高くなっています。
  • 図11-12は、各バージョンでシミュレートされた金型温度を示しています。従来の冷却と3Dプリントスライダーの金型温度は、20〜40°Cの差を示しています。最も強力な冷却の場合、温度差は40〜80°Cの範囲です。
  • 図13は、収縮キャビティの位置と範囲を示しています。収縮キャビティの体積は、従来の冷却スライダーの場合は約103mm³であり、冷却強度が増加するにつれて、3Dプリントスライダーの場合は約90、約70、約50mm³です。
  • 図14-17は、さまざまなシミュレーションバージョンの熱収支を示しています。従来のスライダーを使用した場合に、焼き戻し回路によって抽出されるエネルギーは413.71 kJです。3Dプリントスライダーを使用すると、システムはそれぞれ548.19 kJ、637.79 kJ、および807.37 kJのエネルギーを抽出できます。最も強力な冷却を備えた3Dプリントスライダーと従来のスライダーの結果の差は49%です。
  • 図18-21は、金型の各冷却チャネルごとに分類された、シミュレーションされたバージョンの熱スケールを示しています。従来のスライダーによって放散されるエネルギーは、図19に示されています。
Figure 2. Cooling system in the sliders
Figure 2. Cooling system in the sliders
Figure 3. Cooling system in the sliders
Figure 3. Cooling system in the sliders
Figure 4-7. Cooling system of the 3D printed sliders
Figure 4-7. Cooling system of the 3D printed sliders
Figure 8. Cooling system of the conventional sliders Figure 9. Cooling system of the 3D printed sliders
Figure 8. Cooling system of the conventional sliders
Figure 9. Cooling system of the 3D printed sliders
Figure 11. Calculated casting temperatures for each version at the time points considered, view A, Scale: T=150.0-500.0°C
Figure 11. Calculated casting temperatures for each version at the time points considered, view A, Scale: T=150.0-500.0°C
Figure 21. Heat balance of version 14 broken down by cooling channels
Figure 21. Heat balance of version 14 broken down by cooling channels

図のリスト:

  • 図1. テストされた鋳物の形状
  • 図2. スライダーの冷却システム
  • 図3. スライダーの冷却システム
  • 図4-7. 3Dプリントスライダーの冷却システム
  • 図8. 従来のスライダーの冷却システム
  • 図9. 3Dプリントスライダーの冷却システム
  • 図10. 調査された時点での各バージョンについて計算されたスライダー温度スケール: T=150.0-450.0°C
  • 図11. 考慮された時点での各バージョンについて計算された鋳造温度、ビューA、スケール: T=150.0-500.0°C
  • 図12. 調査中の時点での各バージョンについて計算された鋳造温度、ビューB、スケール: T=150.0-500.0°C
  • 図13. 各バージョンの収縮について計算された収縮スケール: 0.0-100.0%
  • 図14. バージョン12の熱収支
  • 図15. バージョン10の熱収支
  • 図16. バージョン13の熱収支
  • 図17. バージョン14の熱収支
  • 図18. 冷却チャネルごとに分類されたバージョン12の熱収支
  • 図19. 冷却チャネルごとに分類されたバージョン10の熱収支
  • 図20. 冷却チャネルごとに分類されたバージョン13の熱収支
  • 図21. 冷却チャネルごとに分類されたバージョン14の熱収支

7. 結論:

主要な調査結果の要約:

3Dプリントスライダーは、比表面積が大きいため、従来のスライダーと比較してより多くの熱を放散します。これにより、スライダーと金型の温度が低くなり、冷却効率が高くなります。3Dプリントスライダーを使用すると、収縮キャビティの形成も減少します。3Dプリントスライダーは、従来のスライダーと比較して、熱放散が大幅に高くなります (最大49%の差)。

{研究結果の要約。研究の学術的意義、研究の実用的な意味}
// この研究は、HPDCにおける3Dプリントスライダーの優れた冷却性能を示しています。これは、サイクルタイムの短縮、潤滑剤の使用量の削減、鋳造品質の向上につながる可能性があるため、業界にとって重要な実際的な意味を持ちます。

8. 参考文献:

  • [1] ASM Metals Handbook (1998). Casting. Volume 15. ASM International, USA.
  • [2] Butler, W. (2005). The next generation of die casting machines. Die Casting Engineer, 1/2005, USA.
  • [3] Andresen, B. (2005). Die Casting Engineering. Marcel Dekker, USA
  • [4] Cho, J. I. et al. (2014). The relationship between dendrite arm spacing and cooling rate of Al-Si casting alloys in high pressure die casting. International Journal of Metalcasting, 8, 49–55. https://doi.org/10.1007/BF03355571
  • [5] Jarfors, A. E. et al. (2021). On the use of conformal cooling in high-pressure die-casting and semisolid casting. Technologies - Manufacturing Technologies, 9(2), 39. https://doi.org/10.3390/technologies9020039
  • [6] https://www.regloplas.com
  • [7] https://uddeholm.com
  • [8] Gibson, I. et al. (2021). Hybrid additive manufacturing. In Additive Manufacturing Technologies (pp. 347-366). Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-56127-7_12
  • [9] https://www.magmasoft.de

9. 著作権:

  • この資料は、"[Zoltán Ferenc Bratu, János Péter Erdélyi, Dániel Molnár]"の論文"[HPDC技術の革新的な冷却ソリューション]"に基づいています。
  • 論文の出典: https://doi.org/10.35925/j.multi.2024.3.17

この資料は、上記の論文を紹介するために作成されたものであり、商業目的での無断使用を禁じます。Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.

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Tags: CAD; ,conformal cooling; ,cooling solutions; ,Die casting; ,Efficiency; ,High pressure die casting; ,High pressure die casting (HPDC); ,金型; ,금형