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高圧ダイカスト法により製造されたハイブリッド軽金属構造体のマルチスケールシミュレーション

本紹介資料は、「IOP Conference Series: Materials Science and Engineering」に掲載された論文「Multi-scale simulation of hybrid light metal structures produced by high pressure die casting」に基づいています。 1. 概要: 2. 抄録: 現代の自動車構造部品では、軽量かつ機械的に安定した構造を実現するために、金属板と鋳造部品が組み合わされています。本研究では、鋼板とアルミニウム鋳造部品との接合が、高圧ダイカスト（HPDC）プロセスの一部として行われます。この方法により、溶接のような追加の接合工程を省略でき、時間とエネルギーを節約できます。板金と鋳物の組み合わせは、板金の構造化された表面（リブ）によって達成され、これは鋳造プロセス中に液状アルミニウム合金で充填され、凝固後に機械的な接続をもたらします。連成された流動および凝固シミュレーションを用いて、リブ内部の急速凝固に焦点を当ててハイブリッド鋳造プロセスを解析します。板金とアルミニウム合金の界面における高解像度（メソスケール）の充填および凝固シミュレーションは、溶湯流動と急速凝固の詳細を捉えることができます。メソスケールの流動および凝固シミュレーションを、ミクロスケールでの多相場シミュレーションに連成することにより、結果として生じる微細構造を計算できます。メソスケールシミュレーションの結果としてのリブ内部の凝固条件は、コールドチャンバーHPDCマシンで実施された実際の鋳造品で見られる実験結果と計算された微細構造を比較することによって検証できます。 3. 緒言: 高圧ダイカスト（HPDC）は、特に自動車産業において、大型で薄肉の構造部品にとって重要な製造プロセスです。HPDCは、複雑な大型アルミニウムまたはマグネシウム部品の製造を可能にし、これは複数の鍛造金属板を溶接で組み合わせるよりも効率的である場合があります。興味深い新しい応用は、アルミニウム鋳物と金属板を1つのハイブリッド鋳造プロセスステップで組み合わせることです。この方法により、溶接のような追加の接合工程を省略でき、時間とエネルギーを節約できます。板金と鋳物の組み合わせは、板金の構造化された表面（リブ）によって達成され、これは鋳造プロセス中に液状アルミニウム合金で充填され、凝固後に機械的な接続をもたらします。機械的接続は接着接続よりも強力ですが、溶接接続よりは弱くなります。接続強度にとって重要なのは、金属板の構造化された表面が完全に充填されることです。HPDC充填プロセスのシミュレーションは、かなりの量の空気巻き込みを伴うキャビティの非常に高速でカオス的な充填のため、困難です。ほとんどの商用シミュレーションプログラムは、残留空気の影響を近似するためのいくつかの特殊なモデルを用いて、鋳造プロセスを記述するために単相アプローチを使用しています[1-4]。本研究では、空気、溶湯、固相を含む鋳造プロセスの三相シミュレーションが使用されます。溶湯と空気の両方が圧縮性流体と見なされ、界面をシャープに保つための特別な処理を含むVolume-of-Fluid（VoF）アプローチによって分離されます。凝固プロセス中の溶湯流動性の低下は、デンドライトネットワークを通る流れを記述するために多孔質媒体アプローチによって処理されます。臨界固相率の値で、溶湯は完全に停止します。このアプローチは、商用鋳造シミュレーションパッケージSTAR-CCM+[5]に実装されています。湯回り不良（misrun）を引き起こす可能性のある空気の正しい処理と高速凝固は、ハイブリッド鋳造の調査にとって重要であると見なされます。なぜなら、空気の巻き込みと構造化された金属板表面が完全に充填される前の溶湯凝固が、板金と鋳物との間の機械的結合を弱める可能性があるためです。 4. 研究の概要: 研究テーマの背景: 現代の自動車部品は、軽量でありながら機械的に安定した構造を必要としています。金属板（例：鋼）と鋳造軽金属部品（例：アルミニウム）を単一の高圧ダイカスト（HPDC）プロセスで組み合わせるハイブリッド鋳造は、溶接のような従来の組立方法と比較して時間とエネルギーを節約することにより、潜在的な利点を提供します。これらのハイブリッド構造における機械的接続は、金属板上に設計された構造化表面（リブ）によって達成され、これは鋳造中に溶融合金によって充填されます。 先行研究の状況: 複雑なHPDCプロセス、特に急速な充填と潜在的な空気巻き込みのシミュレーションは困難です。多くの商用コードは単相近似を使用していますが、空気、溶湯、固相を考慮する多相アプローチはより詳細な記述を提供します。Volume-of-Fluid（VoF）法のような技術は自由表面追跡に使用され、多孔質媒体モデルと流動停止基準を組み合わせて、凝固が流体流動に及ぼす影響をシミュレートします。 研究の目的: 本研究は、マルチスケールシミュレーションアプローチを用いてハイブリッドHPDCプロセスを分析することを目的としており、特に金属板表面の小スケールリブ内で発生する溶湯流動、充填ダイナミクス、および急速凝固に焦点を当てています。主な目標は、ハイブリッド接合部の機械的完全性にとって重要なリブの完全充填に影響を与える要因を理解することです。さらに、本研究は、リブ内で予測された微細構造を実際の鋳造品の実験的観察結果と比較することによって、シミュレーション結果を検証することを目指しています。 中核研究: 研究の中核は、マルチスケールシミュレーション戦略を含みます。まず、HPDCプロセス全体のメジャースケールシミュレーションが、後続の高解像度メソスケールシミュレーションのための現実的な境界条件（溶湯速度と温度）を提供します。このメソスケールシミュレーションは、鋼板とアルミニウム合金（Al-5wt%Mg-1.8wt%Si）の間のリブ付き界面領域に特に焦点を当てています。0.2 x 0.2 mmのリブ内の詳細な充填および凝固挙動を捉えるために、三相（空気、溶湯、固相）VoFモデルを採用しています。メソスケールシミュレーションによって予測された熱条件（冷却速度）は、期待される微細構造を計算するために、ミクロスケール相場シミュレーション（MICRESS®ソフトウェアを使用）の入力として使用されます。本研究は、異なるプロセスパラメータ（流れに対するリブの向き、リブ上のキャビティ厚さ、溶湯速度）および凝固モデル（Scheil近似対相場由来固相率曲線）がリブ充填プロセスに及ぼす影響を体系的に調査します。最後に、シミュレーションされた微細構造は、検証のためにコールドチャンバーHPDCマシンで製造されたハイブリッド鋳造品の実験結果と比較されます。 5. 研究方法論 研究設計: 本研究では、実験的検証と組み合わせたマルチスケールシミュレーションアプローチを採用しました。完全なHPDCプロセスのマクロスケールシミュレーションは、重要なリブ付き界面の詳細なメソスケールシミュレーションのための境界条件を提供しました。メソスケールシミュレーションの結果（具体的には、局所的な凝固条件）は、結果として生じる微細構造を予測するために、ミクロスケール相場シミュレーションの入力として使用されました。これらのシミュレーション予測は、定義された条件下で製造された実験的なハイブリッド鋳造品で観察された微細構造と比較することによって検証されました。 データ収集および分析方法: 研究トピックと範囲: 本研究は、ハイブリッドHPDCプロセス中の鋼板上の0.2 x 0.2 mmリブ内におけるAl-Si-Mg合金の充填と凝固のシミュレーションに焦点を当てました。範囲には以下が含まれます： 6. 主要な結果: 主要な結果: 図表リスト: 7.

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