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Figure 3 Manufacturing process of gravity die casting

電気製品製造におけるアルミニウム重力ダイカストのためのマテリアルフローコスト会計

本紹介論文は、「Journal of Business and Industrial Marketing」によって発行された論文「Material flow cost accounting for aluminum gravity die casting in electrical products manufacturing」に基づいています。 1. 概要: 2. 要旨: 目的 – 本研究は、中小企業(SME)環境においてマテリアルフローコスト会計(MFCA)を適用する最良の方法を決定し、製造プロセス中の負の製品コストを可視化し、改善可能な箇所を特定することを目的としています。設計/方法論/アプローチ – 本研究では、インドで重力ダイカストを通じて電力部門で使用されるアルミニウムエネルギー製品を生産する中小企業において、MFCAツールの有用性を実証するためにケーススタディ・アプローチを使用しています。結果 – 結果によると、同社の重力ダイカストはMFCA分析の結果、27.38%の負の製品コストマージンを有しています。また、300kgの原材料処理に対して、負の材料コストは22,919ルピー、負のシステムコストは462ルピー、負のエネルギーコストは1,069ルピーであると決定されました。この会社の典型的な月間原材料処理量は45,000kgです。独創性/価値 – 本研究は、MFCAの導入が企業の環境意識と収益性を向上させることを示しています。著者らの知る限り、本研究は電気部品製造におけるアルミニウム重力ダイカストにMFCAを初めて導入したものです。 3. 緒言: 世界の原材料需要は2060年までに現在の2倍になると予測されており、それに伴い生産廃棄物の増加は避けられません。インドの製造業は、「メイク・イン・インディア」構想のもとで大幅に拡大しました。特に零細・中小企業(MSME)は重要な役割を果たしており、インドのGDPの約30%、総輸出の約半分を占めています。このような急速な経済発展と技術進歩は、原材料への需要を増大させ、地球の資源に負荷をかけ、一部の重要物質の枯渇と廃棄物の増加につながっています。廃棄物発生は、汚染と気候変動の一因となる主要な問題です。環境および経済パフォーマンスを改善する最も効果的な方法の一つは、廃棄物回収です。 中小企業は一般的に、大企業に比べて廃棄物管理が不十分です。過去には様々な環境管理技術や政策枠組みが導入されてきましたが、環境と財務の両方のパフォーマンスを全体として考慮するものはごくわずかです。さらに、これらの環境管理リソースのほとんどは、大企業を念頭に置いて作成されました。資金調達、人員、意識、知識、スキルの制約により、これらの戦略は中小企業に適用されるとしばしば不十分です。マテリアルフロー思考は、多くの視点と関心領域の根底にある共通の基盤を明らかにすることによって、この統合を促進します。マテリアルフロー思考を実行するために使用されるマテリアルフローコスト会計(MFCA)は、統合された最適化を大幅に改善することができます。環境管理会計(EMA)は、廃棄物に対する財務的責任を帰属させる手法としてMFCAを使用します。MFCAの最終目標は、負の環境影響を低減しつつ、経済的パフォーマンスを向上させることです。 インド国家生産性評議会(NPC)は、インドにおけるMFCA導入の主要な提唱者です。NPCは、ガイドブック、研修プログラム、ケーススタディライブラリなど、組織がMFCAを導入するのを支援するための多くのリソースを開発してきました。インドではMFCAはまだ始まったばかりですが、多くの熱意があります。NPCはインドでのMFCA導入を推進しており、今後数年間でより多くのインド企業がMFCAを導入する可能性が高いです。 しかし、急速な工業化は必然的に、資源枯渇の増加、廃棄物発生、経済拡大に伴う環境破壊をもたらします。その結果、インドの中小企業が環境に配慮した方法で製品を生産することが不可欠です。上記のニーズに焦点を当て、本研究はインドの製造業中小企業におけるMFCA導入の重要性を強調しています。状況を明らかにするために、一貫して作成されたMFCAの結果の文脈を提供するために、実際のインドの中小企業を使用したケーススタディをこれ以上見つけることができませんでした。MFCAの実際の適用は、その可能な適用の範囲と比較してやや制限されています。この枠組みの中で、我々の調査は、開発途上国におけるMFCAの適用に関連する研究に集中する必要性に対応しています。 4. 研究の概要: 研究テーマの背景: 本研究は、世界的な原材料消費の増加、人々の生活水準の向上に伴い、2060年までに原材料需要が現在の2倍に増加すると予測されるという背景に基づいています。その結果、現在のレベルと比較して生産廃棄物が増加することは避けられません。インドでは、「メイク・イン・インディア」プログラムの導入以来、製造業が大幅に拡大しています。インドの国内総生産の約30%は零細・中小企業(MSME)によって生み出されています。2018年から2019年にかけて、中小企業はインドの総輸出の約半分を占めていました。急速な経済発展と技術進歩は、地球規模および国内で原材料への需要を増大させています。需要の増加は地球の資源に負担をかけ、一部の重要物質の枯渇とより多くの廃棄物の発生につながっています。廃棄物発生は、汚染と気候変動の一因となる主要な問題です。 先行研究の状況: MFCAの概念は、1980年代後半から1990年代初頭にかけて、南ドイツの繊維会社Kunert内の環境管理プログラムから自然発生的に生まれ、最終的にはISO 14051規格に登場しました。しかし、MFCAフレームワーク自体はゼロから作られたわけではありません。工業生産における物質フローのインプット・アウトプット物質収支と物理的および「価値」評価は、1920年代から1930年代にかけてドイツで議論されていた2つの不可欠な要因でした。EMAの要素として、MFCAは組織内の各廃棄物フローに金銭的価値を割り当てようとします。MFCAの最終目標は、経済的パフォーマンスを向上させると同時に、負の環境影響を低減することです。物質フローの金銭的価値と企業への非効率性がMFCAの主な焦点です。それは、物質フローの金銭的価値と物理量が同じコインの裏表であることを例示しています。物理的な物質フラックスを測定することにより、技術分析と環境評価の両方の基礎として機能します。物質効率、毒性、臨界性などは、製品、空気、水、または土壌に入る物質の量を測定することによって追跡できる指標のほんの一部です。最後に、すべてのフローを金銭的に評価することにより、経済効率を最大化するのに役立ちます。高い環境コストは一般的に見られ、経営陣の注意を引き、その大きさが認識されると管理されます。環境コストの範囲はかなり広いです。MFCAは数量センターに基づいて機能します。材料、エネルギー、システム、廃棄物処理はすべて、各数量センターの総コストに関与しており、これは正の製品と負の製品に分類されます。したがって、MFCAは、廃棄物の真のコストを推定するための従来の原価計算よりも望ましいです。MFCAは、石炭鉱業、椅子製造、ゴムリサイクルおよび布地製造、電磁アイテム製造、醸造所での廃棄物削減決定の改善、マイクロブルワリー、プリント基板および廃棄物分別移送プラント、農業廃棄物リサイクルなど、さまざまな産業で成功裏に実施されてきました。文献レビューに基づくと、インドの学術文献におけるMFCAの概念は、果物加工、鋼管およびチューブ製造、シリンダー製造、その他いくつかの数えられる産業で実施されています。インドおよび他の開発途上国では、先進国と比較してMFCAに関する学術出版物が少ないことがわかっています。約69の調査論文の文献レビューに基づくと、Figure 1はさまざまな国におけるMFCA研究のレベルを示しています。最近の研究によると、サプライチェーン全体でMFCAを実施すると、コスト削減と環境影響のさらなる削減に役立ちます。ただし、展開は最初に企業レベルで開始する必要があります。ERP、技術知識、ライフサイクルアセスメント、ライフサイクル原価計算など、他の知識とMFCAを統合する文献はいくつかあります。研究者の意見では、MFCAを他の知識と統合することで、より実りある結果が得られるでしょう。MFCAに関する研究論文のほとんどはケーススタディベースの研究であり、体系的な文献レビュー、モデル開発に関する研究、アンケートベースの研究、企業へのMFCAの影響に関するメタ分析など、MFCAの文献に貢献する他の種類の研究論文はほとんどありません。 研究の目的: 本研究は、アルミニウムインゴットまたは合金からエネルギー製品を製造するインドの中小企業(SME)内にMFCAツールを展開することを目的としています。研究の目的は、生産手順の金銭的および物質的コストを視覚化および計算し、節約が可能になる場所を決定することです。MFCAは、プロセスのコストをその正の製品コストと負の製品コストに、プロセスの歩留まりに関連して分離する方法です。金銭的な観点から、どこで改善を行うべきかを明らかにすることができます。過去9か月間、MFCAの導入が経済と環境の両方に与えた影響を調査するために、事業のパフォーマンスが追跡されてきました。MFCAの導入は順調に進んでおり、その結果として得られる金銭と資源の節約の初期推定値は非常に有望です。この研究は、MFCAの導入が企業の環境意識と収益性を向上させることを示しています。この研究の一環として実施されたケーススタディの結果は、貧しい国々の他の中小企業が持続可能性を達成するためにMFCAを導入することを奨励するはずです。このケーススタディの結果は、インドの中小企業の間でMFCAの導入を促進するために使用されます。 研究の核心: 本研究の核心は、インドの中小企業(「A」社)で、アルミニウム製の電気製品を重力ダイカストで製造する際にMFCAを導入することです。この研究では、MFCAの導入が経済と環境に与えた影響を調査するために、9ヶ月間にわたり同社の操業実績を追跡しました。研究には以下の内容が含まれます。 5. 研究方法論 研究デザイン: 本調査にはケーススタディ研究が用いられました。研究の「何を」「どのように」という問いには、ケーススタディを実施することで答えることができ、因果関係を確立する実証的な方法となります。学術研究とその実用化の間のギャップは、フィールドワークによって狭められる可能性があります。インタビューや実地観察を通じて、現象を実際に発生したとおりに記録し分析します。ケーススタディは質的な性質を持つため、探索的研究での使用に特に適しています。したがって、ケーススタディ手法は、MFCA導入の手順と、それが事業の経済的および生態学的効率に与える影響を理解するのに適しています。 データ収集・分析方法: データは、直接観察および生産管理アシスタントと品質検査マネージャーへの詳細なインタビューを通じて収集されました。Stacks

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FIGURE 3.—Microstructure of specimens formed by varying injection pressure: (a) 60 MPa, (b) 80 MPa, (c) 100MPa, (d) 125MPa. Brighter regions are a-Al grains and the darker regions are a mixture of empty and [Al þ Mg2Si] eutectic regions.

自動車用ダイカストアルミニウム合金の射出パラメータ最適化と人工時効処理

この紹介論文は、「Materials and Manufacturing Processes」によって発行された論文「Injection Parameters Optimization and Artificial Aging of Automotive Die Cast Aluminum Alloy」に基づいています。 1. 概要: 2. 要旨: 高圧ダイカストは、近い将来、自動車産業において高負荷構造部品として使用されることが期待されています。したがって、本研究では、ダイカストパラメータと時効処理が高性能ダイカストアルミニウム合金の引張特性に及ぼす影響を調査しました。我々の結果は、HPDC AlMg5Si2Mn試験片(射出圧力100 MPa、高レベル高速射出速度、速度切替点位置220 mmで形成)が、良好な内部品質と優れた引張特性(351.1 MPa、200.7 MPa、13.77%)を有することを示しています。試料密度は、圧力損失により金型充填方向に沿って減少しました。250°Cで3時間時効処理後、引張強さと降伏強さは、それぞれ351.1 MPaおよび200.7 MPaから380.5 MPaおよび246.9 MPaへと大幅に増加しました。伸びは、1時間時効処理後に13.77%から5.5%に初期的に減少し、その後11.48%に回復しました。さらに、冷却方法が機械的特性に及ぼす影響はごくわずかであることがわかりました。 3. 緒言: 軽量化は、燃料危機の負の影響により、現代の自動車開発において不可欠な要素です。ダイカストは、その良好な寸法精度、表面品質、および健全性により、自動車産業のニーズに適しており、車体への使用が増加しています[1]。さらに、高性能ダイカストアルミニウム合金は、内部気孔やFeリッチ金属間化合物によって引き起こされる低い延性を補うために必要とされています[2]。必然的に、様々な超強靭ダイカストアルミニウム合金が開発されており、その中でもMagsimal-59®(AlMg5Si2Mn)は優れた延性を特徴としています。良好な延性は、Mgの添加とFe含有量の低減(≤0.2%)の結果であり、これらはいずれもFeリッチ金属間化合物の負の影響を最小限に抑えます[3]。さらに、Hielscherら[4]、Kochら[5]、およびFrankeら[6]は、AlMg5Si2Mnが鍛造、レオキャスティング、スクイズキャスティング、およびダイカストのプロセスに適しており、したがって展伸アルミニウム合金と共にリサイクル可能であり、自動車産業において有望な材料であると報告しています。一方、射出パラメータはダイカストの内部品質を決定し、適切な射出パラメータは望ましくない欠陥(例えば、介在物、フローラインクラック、湯じわ)を排除することができます[7]。ADC12[8]やA380[9]などの様々なダイカスト合金の機械的性能に対する射出パラメータの影響の最適化は、したがって、ダイカストの内部品質と表面品質の両方にとって重要です。これまでの研究は、主にダイカストAlMg5Si2Mn合金の微細構造形成、引張特性、疲労抵抗、および腐食挙動に焦点を当ててきました。例えば、Jiら[10]は、時効処理がAlMg5Si1.5MnFe0.25Ti0.2ダイカストの降伏強度を改善し、これは焼付硬化のみに起因すると報告しました。Otarawannaらは、AlMg5Si2Mnダイカストの表面層形成[11]、欠陥帯[12]、および湯流れ・凝固機構[13]を解明しました。さらに、Huら[14]は、重力金型鋳造とダイカストAlMg5Si2Mn板の耐食性を比較し、後者がより微細な結晶粒径のために優れていると結論付けました。しかし、AlMg5Si2Mnダイカストの内部品質と機械的特性に対する射出パラメータの影響に関する研究はほとんど行われていません。 4. 研究の概要: 研究背景: 高圧ダイカストは、自動車分野における高負荷構造部品としてますます考慮されています。AlMg5Si2Mn合金は、その高性能と延性により有望な候補です。このようなダイカストの内部品質は、射出パラメータによって著しく影響を受けます。 先行研究の状況: AlMg5Si2Mn合金に関する先行研究は、微細構造、引張特性、疲労、腐食、および類似合金の時効処理効果などの側面に焦点を当てていました。AlMg5Si2Mnダイカストにおける表面層、欠陥帯、および湯流れ・凝固機構の形成が調査されてきました。他のダイカスト合金(例:ADC12、A380)については射出パラメータの最適化が行われてきましたが、AlMg5Si2Mnダイカストの内部品質と機械的特性に対する射出パラメータの影響を具体的に扱った研究は不足していました。 研究目的: 本研究は、ダイカスト射出パラメータ(射出圧力、高速射出速度、速度切替点位置)およびその後の人工時効処理が、高性能AlMg5Si2Mnダイカストアルミニウム合金の引張特性と内部品質に及ぼす影響を調査することを目的としました。 研究の核心: 本研究の核心は、主要な射出パラメータ、具体的には射出圧力、高速射出速度、および速度切替点の位置の変動が、高圧ダイカスト(HPDC)AlMg5Si2Mn合金の機械的特性(引張強さ、降伏強さ、伸び)および密度にどのように影響するかを体系的に調査することでした。これには、観察された変化を理解するための微細構造解析が含まれていました。さらに、本研究は、人工時効処理(250°Cで1、2、および3時間)および異なる冷却方法(空冷、炉冷)が、最適に鋳造された合金の機械的特性に及ぼす影響を調べました。 5. 研究方法論 研究設計: データ収集および分析方法: 研究対象と範囲: 6. 主要な結果: 主要な結果: 図のリスト: 7. 結論: AlMg5Si2Mnダイカストの微細構造と機械的特性に及ぼす射出パラメータと時効処理の影響が体系的に研究され、主な結論が以下に要約されます。最適な射出パラメータは、圧力100 MPa、高レベル高速射出速度、および速度切替点220

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Figure 3.23 Demo-axial sample as a compound casting, a) Steel insert positioned in a squeeze casting mould [58], b) Steel insert (top) and compound casting [58], c) Cross section of the sample [57]

Al-Si合金鋳物における鋼製インサートの界面

本稿は、「Dissertation, Technischen Universität Wien, Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften」より発行された論文「Interface of steel inserts in Al-Si alloy castings」に基づいています。 1. 概要: 2. アブストラクト: アルミニウム合金は、その低密度と優れた機械的特性により非常に重要な材料です。アルミニウムシリコン鋳造合金は、自動車、航空宇宙、エンジニアリング分野に不可欠です。アルミニウムシリコン合金は鋳造プロセスに適していますが、シリコンは脆い針状粒子を形成し、鋳造構造物の耐衝撃性を低下させます。鋼または鋳鉄のインサートは、局所的に強度と耐摩耗性を向上させます。鉄基合金の比較的高い溶融温度により、鉄部品を鋳型内に配置し、溶融Al湯で囲み、凝固させることでインサートを埋め込むことができます。鋼製インサートは、gravity casting、low pressure die casting、squeeze castingによってAl-Si合金に埋め込まれます。gravity castingには、表面状態の異なる酸化処理およびエッチング処理された鋼棒が使用されます。鋼製キューブインサートを用いたgravity castingでは、Al (99.8%)、AlSi7、AlSi7Mg0.3を用い、鋳型を室温(RT)および高温にするなど、さまざまな熱的条件が使用されます。ステップ形状のlow pressure die castingには、高さの異なるインサートリングが使用されます。Bitscheの論文では、AlSi7Mg0.3のsqueeze castingによって鋼製インサートをアルミニウムに埋め込む可能性を実証するために、デモ軸方向サンプルが設計されました。Feの線熱膨張係数(CTE)はAlの約半分です(ΔCTE > 12ppm/K)。凝固中、Al合金は約6 vol.%収縮します。凝固温度直下では降伏強度が非常に低いため、インサート周囲で塑性変形が発生します。弾性応力が275°C以下で蓄積すると仮定すると、FeとAlの間の残りのミスフィット体積は約1 vol.%になります。対応する線長変化は弾性範囲を超えます。蓄積する弾性応力は、使用温度におけるAl合金の降伏強度に依存します。マグネシウムの添加はα-Alの析出硬化を可能にします。純Alの室温降伏強度は約50MPa、AlSi12共晶の降伏強度は約150MPaであり、Mg2Siによる合金の析出硬化後は200MPaを超えます。したがって、鋳物の0.3%の変形は、インサート周囲のAl合金の異なる微細構造構成要素内で、異なる程度の塑性変形と弾性応力を引き起こします。インサート部品を囲むAlバルク領域の内部応力は、X線回折によって測定されます。インサートなしで急冷されたα-Alマトリックス中の75±25MPaの圧縮応力レベルは、Siとの熱的ミスフィットに起因します。インサート近傍では、Al中に100MPaの範囲の接線方向引張応力が確認されます。粗面を持つ鋼製インサートを埋め込むMg含有Al-Si合金の時効硬化に伴い、接合強度は増加します。走査型電子顕微鏡(SEM)および光学顕微鏡(LOM)は、サンプルの微細構造、特にアルミニウムと鋼の間の界面を特徴付けるために使用されます。界面反応は、化学的に洗浄された鋼ではAl-Fe-Si相を生成しますが、自然酸化された鋼では生成しません。Al鋳物は、デンドライト間領域にα-デンドライトとAlSi12共晶から構成されます。鋳型に近いほどSDAはバルクよりもはるかに小さく、これは鋳型から凝固が始まり冷却速度が速いためです。金属組織学的検査により、いくつかの亀裂、ガス巻き込み、収縮孔が確認され、これらはレーザー超音波によって非破壊的にも検出されました。このような欠陥は、界面での凝固が遅れると増加します。要約すると、鋼製インサートの形状や表面処理、特に埋め込みAl合金の凝固条件は、反応接合、ギャップ、気孔などの界面品質に重大な影響を及ぼします。凝固は、再溶解を避ける必要がある界面に沿って開始する必要があります。凝固前線間には十分な供給が必要です。 3. 序論: アルミニウムは、応用されてからまだ1世紀ほどのエンジニアリング材料ですが、鋼に次いで世界で2番目に多く使用される金属となっています。アルミニウムは、私たちが働く建物から運転する車、飲む缶、利用する飛行機に至るまで、私たちの生活の多くの側面で重要な構成要素です。軽量、高剛性、高強度、耐食性、リサイクル性といった非常に魅力的な特性の組み合わせは、ほぼ無限の用途に最適であり、現代生活に不可欠なものとして日々使用されています。アルミニウムは、機能性と先進的な形状、そして手頃なコストでの設計可能性を兼ね備えた材料を求める主要な設計者、建築家、エンジニアにとって選択される金属です。アルミニウム合金は、含有される主要な合金元素によって分類されます。4XXX系は主に鋳造の容易さのためにシリコンと合金化されています。アルミニウムシリコン合金は鋳造プロセスに適しています。複雑な形状の信頼性の高い鋳物を製造することが可能であり、供給不良の部分で得られる最小限の機械的特性は、より高強度だが鋳造性の低い合金で作られた鋳物よりも高くなります。シリコンは溶湯の流動性を高め、溶融温度を下げ、凝固に伴う収縮を減少させ、原料として非常に安価です。シリコンはまた、低密度(2.34 g cm-3)であり、鋳造部品の全体重量を減らす上で利点となる可能性があります。シリコンはアルミニウムへの溶解度が非常に低く、これらの鋳造合金ではほぼ純粋なシリコンとして共晶的に偏析し、硬いため耐摩耗性を向上させます。低い熱膨張係数はピストンに利用され、シリコン粒子の高い硬度は耐摩耗性に寄与します。鋳造合金中のシリコンの最大量は22-24% Si程度ですが、粉末冶金で作られた合金では40-50% Siにもなります。シリコン含有量を増やすと延性を犠牲にして強度が増加しますが、この効果はそれほど顕著ではありません。アルミニウムは鋼の約3分の1の密度と剛性しかありません。鋳造、機械加工、押出が容易です。鋳込みインサートは通常、鋳鉄または鋼で作られます。金属コアは、鋳物が鋳型キャビティから排出される前に取り外せるように、鋳型のパーティングラインと平行に鋳型内に配置する必要があります。形状も鋳物から容易に取り外せるようにする必要があります。鋳込みインサートは、より良い表面仕上げと鋳物の急速凝固を可能にし、プロセスの機械的特性を向上させます。本研究では、Al合金の微細構造、およびさまざまな鋳造プロセスで準備された鋼とアルミニウム鋳物との間の接合について議論します。界面は主に光学顕微鏡(LOM)および走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して調査されました。 4. 研究の概要: 研究トピックの背景: アルミニウム合金は、その有利な特性により様々な産業で極めて重要です。Al-Si鋳造合金は、複雑な形状を製造するために特に重要です。しかし、強度や耐摩耗性などの局所的な特性を向上させたり、異なる材料機能を組み合わせたりするために、インサート(多くは鋼製)がアルミニウム部品に鋳込まれます。このようなハイブリッド部品の性能にとって、インサートと鋳造アルミニウム間の接合品質および界面の特性は非常に重要です。この界面に影響を与える要因には、鋳造プロセス、合金組成、インサート材料と表面処理、および鋳造中と冷却中の熱的条件が含まれます。アルミニウムと鋼の間の熱膨張係数と凝固収縮の違いは、界面での残留応力、ギャップ、またはその他の欠陥を引き起こす可能性があります。 先行研究の状況: 本学位論文でレビューされたように、先行研究は、アルミニウム合金の分類、強化メカニズム(熱処理や時効硬化など)、Al-Si鋳造合金の特性など、アルミニウム合金の様々な側面をカバーしてきました。gravity die casting、low pressure die casting、squeeze

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Fig. 2. The effect of squeeze casting pressure on the impact strength of a composite with a fiber volume fraction of 10%

スクイズキャスティング AlSi13Cu2-CF 複合材料の衝撃強度

この紹介論文は、「Impact strength of squeeze casting AlSi13Cu2-CF composite」という論文に基づいており、「ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING」によって発行されました。 1. 概要: 2. 要旨: 本論文は、Niコーティング炭素繊維(CF)で強化されたAlSi13Cu2マトリックス複合材料の微細構造と衝撃強度に関する研究結果を提示するものであり、炭素繊維の体積分率は5%、10%、15%である。複合材料懸濁液は攪拌法を用いて調製され、その後25、50、75、100 MPaの異なる圧力下でスクイズキャスティングされた。研究の一環として、アルミニウムマトリックス中の繊維分布が評価され、炭素繊維体積分率と印加圧力の関数としての複合材料の衝撃強度の変化が決定された。炭素繊維上のNiコーティングの存在は、液体アルミニウム合金による濡れ性を明確に改善し、適用された攪拌パラメータと組み合わせることで、比較的均質な構造を持つ複合材料を製造できることが見出された。Charpy’s testにより、複合材料の衝撃強度は75 MPaでスクイズキャスティングプロセスを実行することで最高値に達することが示された。次の研究段階では、複合材料の衝撃強度は炭素繊維体積分率の増加とともに増加し、15%の繊維では8 J/cm²に近いことが見出された。破面観察により、複合材料中の亀裂成長は準へき開破壊機構で伝播することが明らかになった。破壊の生成中、その表面に垂直に配置されたすべての繊維はせん断された。同時に、繊維周囲の金属マトリックスは塑性変形し、特徴的な延性破壊を生じた。繊維を通る破面形成は、強化材とマトリックスの凝集的で強力な結合を示している。言及された現象に加えて、繊維-マトリックス界面の剥離および成分間のボイド形成が破面で観察された。 3. 緒言: 炭素繊維で強化されたシルミンベースの複合材料は、高い比強度、高い弾性率、高い耐亀裂性、高温での耐クリープ性、低い熱膨張係数、および耐食性により、魅力的な構造材料である[1-5]。しかし、均質な構造と高い運用特性を備えた高品質の鋳造品を得ることは、深刻な技術的問題である。複合材料の製造に使用される繊維は、直径が数マイクロメートルであり、数千本の個々のフィラメントまで高い充填密度を持つ束の形で調製される。1100°C未満の温度では、炭素繊維はアルミニウムに実質的に濡れず、長時間の接触では液体金属と反応して脆く吸湿性のAl4C3炭化物を形成し[6-8]、これが複合材料の大幅な弱化または破壊につながる可能性がある。上記の要因は、複合材料懸濁液中の繊維の偏析を引き起こし、結果として鋳物の構造的不均一性を引き起こす[9]。濡れ条件を改善し、炭素繊維を保護するために、様々な種類の強化材表面処理が行われ、その結果として[7, 8, 10, 11]、技術的コーティング(例:Ni、Cuから)、バリアコーティング(例:SiC、B4C、TiC、SiO2)、および特殊コーティング(例:Na、Na2B4O7、B2O3)が製造される。その他の技術的問題は、複合材料懸濁液の高い粘度と非常に低い流動性である。粘度は強化フィラメントの参加により増加し、それらの状態に依存する。 4. 研究の概要: 研究テーマの背景: AlSi13Cu2マトリックス複合材料の機械的特性向上のための炭素繊維(CF)強化。炭素繊維の濡れ性確保、均一分散、欠陥最小化が課題。スクイズキャスティングは凝固時の高圧印加により有望な製造法である。 従来の研究状況: 炭素繊維強化によるアルミニウム合金の特性向上は報告されているが、濡れ性の悪さやAl4C3生成が問題であった。繊維への表面コーティング(Niなど)が検討されてきた。スクイズキャスティングは金属マトリックス複合材料製造に有効と認識されている。 研究の目的: スクイズキャスティング圧力と炭素繊維体積分率がAlSi13Cu2-CF複合材料の衝撃強度に及ぼす影響を評価すること。 核心的研究: Niコート炭素繊維(CF)で強化したAlSi13Cu2マトリックス複合材料を繊維体積分率5%, 10%, 15%で調製。攪拌法で懸濁液を作製。異なる圧力(25, 50, 75, 100 MPa)でスクイズキャスティングし最適圧力を決定。その後、最適圧力で異なる繊維体積分率の複合材料を作製。アルミニウムマトリックス中の繊維分布、炭素繊維体積分率と印加圧力の関数としての衝撃強度の変化を評価。微細構造と破面も分析した。 5. 研究方法論 研究デザイン: 研究は2段階で実施された。 データ収集と分析方法: 研究テーマと範囲: 本研究では以下を調査した: 6. 主要な結果: 主要な結果: 図の名称リスト: 7. 結論: 8.

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FIG. 2. Partial slurry printing characteristics with different solid contents: (a) 54 wt.%, (b) 56 wt.%, (c) 58 wt.%, (d) 60 wt.%.

スラリーマイクロ押出直接成形法により作製された中空複合鋳造品用水溶性サポートコアのパラメータ最適化と精密制御

本稿は、「[3D Printing and Additive Manufacturing]」誌に掲載された論文「[Parameter Optimization and Precision Control of Water-Soluble Support Cores for Hollow Composite Castings Fabricated by Slurry Microextrusion Direct Forming Method]」に基づいています。 1. 概要: 2. アブストラクト: スラリーの含有量と成形プロセスパラメータの最適化は、スラリーマイクロ押出直接成形法において重要な効果をもたらします。本稿では、硫酸マグネシウム一水和物(MgSO4)とポリビニルピロリドン(PVP)を原料としてスラリーを調製し、スラリーの成分比と成形プロセスの最適化について議論しました。最適なスラリー含有量は、硫酸マグネシウム一水和物64 wt.%とPVP-EtOHからなるバインダー36 wt.%です。プリンティング速度、押出圧力、および押出径に対するプリンティング層高さの比率を含むプロセスパラメータが影響因子として選択されました。直交実験の結果、プリンティング速度850 mm/min、押出圧力250 kPa、押出径に対する層高さ510 μmが最適化されたプロセスパラメータであることが示されました。最適化されたプリンティングパラメータ下では、調製されたサンプルの表面粗さは23.764 μmであり、X、Y、Z方向の寸法偏差はそれぞれ0.71%、0.77%、2.56%でした。 3. 緒言: 航空宇宙、自動車、電気通信産業の急速な発展に伴い、複雑な内部空洞を持つ中空複合鋳造品がますます広く使用されるようになり、その構造は複雑化と精密化の方向に進んでいます。これらの鋳造品は複雑な内部オーバーハング中空構造を有しており、成形プロセス中に支持を提供し、鋳造後に除去される可溶性コアを必要とします。その結果、可溶性サポートコアの材料組成精度に対する要求が高まっています。水溶性塩コアは、その良好な機械的強度と水溶性により注目を集めており、鋳造後のサポートコア除去率が高い複雑な中空複合鋳造品の製造に適しています。しかし、従来のサポートコア作製法には、複雑な金型設計、高エネルギーコスト、長いサイクルタイムといった欠点があり、複雑な構造の内部中空複合鋳造品の開発を著しく制約しています。したがって、金型なしで新しい水溶性塩サポートコア成形プロセスを探求することは非常に重要です。近年、3Dプリンティングとも呼ばれる積層造形技術は、そのユニークな成形上の利点から注目を集めています。スラリーマイクロ押出直接成形法は、金型に頼らずに部品を自由に成形できる積層造形技術の一種です。低コスト、小型装置、高速成形、短いイタレーション期間という利点から、水溶性塩サポートコアの作製において幅広い応用が期待されています。 4. 研究の概要: 研究トピックの背景: 航空宇宙、自動車、電気通信産業における中空複合鋳造品の需要増加に伴い、複雑な内部構造を形成するための効率的で精密なサポートコア技術が求められています。水溶性塩コアは有望な解決策ですが、従来の製造方法には限界があります。スラリーマイクロ押出直接成形法は、この課題に対応できる新しいアプローチを提供します。 従来の研究状況: 従来の研究では、KNO3ベースやアルカリ金属炭酸塩・塩化物ベースの塩コアが溶融鋳造法などで作製されてきました。これらの方法は一定の成果を上げていますが、金型設計の複雑さやコスト面での課題がありました。スラリーベースの積層造形に関する研究も行われていますが、特にMgSO4とPVPを用いた水溶性コアの精密制御を目的としたスラリー組成とプロセスパラメータの系統的な最適化は十分に行われていませんでした。本論文では、「magnesium sulfate monohydrate (MgSO4) and polyvinylpyrrolidone (PVP) as raw materials」を用いたアルコールベースのDIW技術におけるパラメータ最適化と精度制御に関する報告は少ないと指摘しています。 研究の目的: 本研究の主な目的は、「slurry

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Fig. 6. Temperature in the core of the insert [°C].

軽合金部品のダイカストプロセスで使用される金型インサートの2つの代替冷却システムの研究

本紹介論文は、「Procedia Structural Integrity」によって発行された論文「Study of two alternative cooling systems of a mold insert used in die casting process of light alloy components」に基づいています。 1. 概要: 2. 要旨: 金型インサートは、ダイカストプロセスで一般的に使用される金型の重要な構成要素です。その目的は、キャビティやアンダーカットのような鋳物の特定形状を実現することです。また、いくつかの重要な領域で冷却システムを改善するためにも使用されます。各インサートは、金型の熱状態を制御し、すべてのホットスポットを効率的に冷却するために、少なくとも1つの単純な冷却チャネルを有しています。溶融金属が形状に鋳込まれ、次に凝固した鋳物によって生じる機械的応力と共に、厳しい周期的熱条件は、インサートを熱機械疲労にさらします。熱機械疲労は、一定サイクル後にインサート表面に観察される亀裂の主な原因であり、コンポーネントを使用不能にし、交換を要求します。この状況は、直接的および間接的なコストに悪影響を及ぼします。本稿では、ダイカストプロセスを通じて製造されたアルミニウム合金シリンダーブロックのオイルドレンチャネルを実現するために使用される金型インサートについて、この現象を研究しました。本研究の目的は、高温および高い熱勾配に最もさらされるゾーンを決定し、積層造形で実現された同じインサートにコンフォーマルチャネルを使用することにより、より効率的な冷却システムを設計および分析することです。 3. 緒言: ダイカストプロセス、特に高圧ダイカスト(HPDC)は、自動車産業を中心にアルミニウム合金部品の製造に広く使用されています。これらのプロセスにおける主要な問題の1つは、ダイとそのコンポーネントの耐久性であり、これらは高温(670~710°Cの溶融アルミニウム)、高い射出速度(30~100 m/s)、および圧力(50~80 MPa)にさらされます。金型インサートは、特定の鋳造形状を作成し、重要領域の冷却を強化するために不可欠です。これらのインサートは通常、熱状態を管理し、ホットスポットを冷却するための冷却チャネルを備えています。 ダイカストダイおよびインサートは、厳しい周期的な熱的および機械的負荷を受けます。これらの条件は熱機械疲労を引き起こし、これが一定サイクル後のインサート表面の亀裂(しばしば「ヒートチェック」と呼ばれる)の主な原因となります。この損傷によりインサートは使用不能となり、交換が必要となり、直接的および間接的なコストが発生します。巨視的には、亀裂は、ダイ表面が急速に加熱され、その後潤滑剤スプレーによって急冷される際の熱衝撃によって開始されます。加熱中、ダイ表面には圧縮応力が発生し、冷却中には引張応力が発生します。コフィン・マンソン式(1)は、亀裂発生までの反転回数を塑性ひずみ振幅に関連付けます。熱ひずみ(式(2))および結果として生じる応力(式(3))は、降伏強度を超えると塑性変形(式(4))を引き起こす可能性があります。疲労寿命は、サイクルあたりの散逸エネルギー(式(5)および(6))にも強く影響されます。 本稿では、アルミニウム合金シリンダーブロック(HPDC)のオイルドレンチャネルに使用される金型インサートにおける熱機械疲労を調査します。この研究では、有限要素解析(FEM)を使用して、高温および熱勾配のゾーンを特定します。これらの結果に基づいて、積層造形によって実現されるコンフォーマルチャネルを使用した、より効率的な冷却システムが設計および分析されます。 4. 研究の概要: 研究トピックの背景: ダイカストダイ、特に金型インサートの耐久性は、高温および周期的な機械的負荷を含む過酷な動作条件のため、重要な懸念事項です。熱機械疲労は主要な故障メカニズムであり、インサートの亀裂および耐用年数の短縮につながり、生産コストと効率に悪影響を及ぼします。これらの問題を軽減するためには、インサートの効果的な冷却が不可欠です。 従来の研究状況: ダイカストダイの寿命予測および熱機械現象に関するいくつかの研究が行われています。Srivastavaら(2004)は、FEMソフトウェアを使用してダイカストダイの熱疲労亀裂を予測する方法論を提示し、温度および熱勾配が増加すると故障までのサイクル数が大幅に減少することを示しました。FEMソフトウェアは熱機械問題を非常にうまくシミュレートできることが示されています(Astaritaら(2013)、Sepeら(2014))。コフィン・マンソン式(1)は疲労を記述するためによく知られています。Sissaら(2014)は、疲労寿命予測のためのエネルギー基準を提案しました。低い熱膨張係数や高い熱伝導率などの材料特性は、熱機械疲労耐性にとって重要です(Luら(2019))。インサート冷却システムの設計は、温度制御において重要な役割を果たします。 研究の目的: 本研究の目的は、高温および高い熱勾配に最もさらされるゾーンを決定し、積層造形によって同じインサートにコンフォーマルチャネルを使用して、より効率的な冷却システムを設計および分析することです。 コア研究: 本研究は、アルミニウム合金シリンダーブロックのオイルドレンチャネルの製造に使用される金型インサートの有限要素解析(FEM)を含みます。従来の冷却システムを備えたインサートの温度場を決定するために過渡熱解析が実行されました。この温度場は、応力を評価するための後続の構造解析における荷重として使用されました。これらの結果に基づいて、積層造形(具体的には選択的レーザー溶融 – SLM)用に設計されたコンフォーマル冷却チャネルを備えた新しい冷却システムが提案されました。次に、このコンフォーマル冷却システムの性能が、温度分布、熱勾配、および応力場の観点からシミュレートされ、従来のシステムと比較されました。 5. 研究方法論 研究設計: 本研究は比較シミュレーションアプローチに従いました。 データ収集および分析方法: 熱モデル(従来冷却): 構造解析: コンフォーマル冷却チャネルモデル: 研究トピックと範囲: 本研究は以下に焦点を当てました:

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Figure 5: Accelerated test results on H-13 at 270 degree C oil after 15 minutes tested (a) and at 700 degree C molten salt after 2 minutes ultrasonic vibration (b) with the TiN coating Coating; SEM morphologies at 700 degree C molten salt (c and d).

ダイカストプロセス用コーティングコアピンのコーティング破損

本稿は、「NADCA Transactions」に掲載された論文「The coating failure of coated core pin for die casting process」に基づいています。 1. 概要: 2. 抄録: コアピンのソルダリングは、高圧ダイカストプロセスを用いたアルミニウム鋳物の生産性を制限する問題の一つです。ダイソルダリングを低減するために、通常、コアピンにはセラミックコーティングが施されます。その結果、コーティングの寿命がソルダリングプロセスとコアピンの寿命を左右します。本研究は、ダイカスト条件と同様の条件下におけるコアピン上のコーティングの破損メカニズムを分析するために設計されました。実験を加速するために、コーティングされたコアピンに高強度超音波振動を加えました。コーティングされたコアピンは、様々な温度の水、オイルソルトバス、溶融亜鉛、および溶融A380合金中で一定時間振動させました。試験したコアピンのコーティング破損を特徴付けるために、SEMおよびXRDが使用されました。実験結果は、水、オイル、溶融塩、および溶融亜鉛中の低温で試験されたコーティングの主な破損メカニズムが、鋼マトリックスからのコーティング剥離であることを示しています。溶湯の温度が上昇するにつれて、コーティングの破損は加速します。高温では、溶融亜鉛およびA380合金で試験されたコアピンにおいて、コーティングの断片化および剥離が発生します。コーティング破損箇所における亜鉛またはアルミニウムと鋼との反応は、コーティングの断片化を引き起こし、高温でのコーティング破損を加速させます。 3. 緒言: 高圧ダイカスト(HPDC)は、軽量金属および合金の部品を製造するための最も効率的で費用効果の高い方法です。コアピンのような、質量が小さく表面積対体積比が大きい小さな金型部品は、容易に加熱され、アルミニウムが金型材料(鋼)に「はんだ付け」されてコア上に堆積する状態、一般にソルダリングと呼ばれる状態を引き起こす可能性があります[1-6]。過酷な条件下では、ソルダリングはわずか数回の鋳造サイクル後に発生します[2, 5]。これにより、金型は一般的に高価であり、ダウンタイムは生産損失につながるため、コストが増加します[2]。鋳肌の損傷は、特に耐圧性において製品の品質を低下させます[7]。 高圧ダイカストにおいて、ソルダリングは金型表面の保護膜の「ウォッシュアウト」と密接に関連していることがよく知られています。ウォッシュアウトは、溶融合金が金型上の保護膜を破壊するときに発生します[1-2]。保護膜がないと、溶融合金は金型表面と直接接触する可能性があります。金型材料中の鉄は溶湯に溶解し、溶湯中の材料やその他の元素は金型表面に拡散します[2]。その結果、金型表面に金属間化合物層が形成されます[1, 2-11]。Hanらは、ダイソルダリングは溶融アルミニウム合金と金型表面の鋼との反応によって引き起こされ、反応温度で液体である相が形成されることを見出しました。この液体は、凝固時に金型と鋳物を接合する接着剤として機能し、その結果、金型にソルダリングが発生します[5, 7, 9, 11-12]。ShankarとApelianは、ソルダリングが起こり始めるコアピン上の場所にピラミッド型の金属間化合物層が形成されることを報告しています[6, 8, 10]。我々の以前の論文では、コーティングされたコアピン上のソルダリング形成のメカニズムを提案し[2, 12]、ソルダリング手順を5つのステップで説明しています。ステップ1では、局所的なコーティング破損が発生します。次に、ステップ2では、コーティング破損領域における溶融アルミニウムと鋼マトリックスとの反応によりピットが形成されます。金属間化合物相がピット内に形成されます。ステップ3では、ピットは鋼マトリックスの深部(アルミニウム中の鋼の溶解による)とコーティングの下側の両方に成長し、コーティングの断片化と剥離を引き起こします。ステップ4では、成長する隣接するピットが結合してはるかに大きなピットを形成します。ステップ5では、鋼の局所的な溶解によるアンダーカットが大きくなりすぎるため、鋳肌が著しく損傷するか、鋳型からの鋳物の突き出し中にコアピンが破損します。以前の研究結果に基づくと、ソルダリングプロセスはコーティングの破損と鋼マトリックスと溶融材料との間の反応によって決定されることは明らかです。しかし、局所的なコーティング破損がどのように発生し、熱疲労と溶融金属中の鋼マトリックスの溶解速度がコーティング破損にどのように影響するかは不明です。 4. 研究の概要: 研究テーマの背景: コアピンのソルダリングは、アルミニウム合金の高圧ダイカスト(HPDC)における生産性とコアピン寿命を制限する重要な問題です。セラミックコーティングはソルダリングを軽減するために適用され、コーティング寿命が重要な要素となります。これらのコーティングの破損メカニズムを理解することは、ダイカスト作業を改善するために不可欠です。 従来の研究状況: これまでの研究により、ソルダリングは保護膜のウォッシュアウトと金属間化合物層の形成に関連していることが確立されています[1-11]。Hanらは、溶融アルミニウムと鋼との反応がソルダリングの原因であることを特定しました[5, 7, 9, 11-12]。ShankarとApelianは、初期のソルダリング箇所の形態を記述しました[6, 8, 10]。著者らの以前の研究[2, 12]では、局所的なコーティング破損から始まる、コーティングされたコアピン上の多段階ソルダリングメカニズムが詳述されています。ソルダリングプロセスは、コーティングの破損と鋼と溶融金属の反応によって支配されることが知られていました。 研究の目的: 本研究は、1) 鋼マトリックスの微細構造変化を引き起こす加熱効果、2) セラミックコーティングと鋼ピン間の結合を弱める可能性のある温度効果、および3) 溶融材料と鋼との間の化学反応の効果の結果としての、コーティングされたコアピンのコーティング破損を理解することに焦点を当てました。コーティングプロセス中に発生するセラミックコーティングの欠陥は、本研究では考慮されていません。コーティングされたコアピンの寿命は、最近開発された加速試験法[9]を用いて評価されました。 核心研究: 本研究では、様々な熱処理(270°C、450°C、700°C)を受けたH-13鋼の微細構造変化を調査しました。TiNおよびLumenaコーティングされたH-13コアピンの寿命を評価するために、高強度超音波振動を用いた加速試験法が採用されました。これらのピンは、水(室温)、オイル(270°C)、溶融塩(700°C)、溶融亜鉛(450°Cおよび700°C)、および溶融A380アルミニウム合金(700°C)の様々な媒体で試験されました。本研究では、コーティング破損メカニズム、溶融金属中のH-13鋼の溶解速度、および温度と化学反応の影響を分析しました。特性評価にはSEMおよびXRDが使用されました。 5. 研究方法論 研究設計: 本研究は、熱サイクルによるH-13鋼の微細構造変化を調査し、模擬ダイカスト条件下でのコーティング破損メカニズムを評価するように設計されました。これには以下が含まれます。 データ収集及び分析方法: 研究テーマ及び範囲: 6.

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Figure 1. Delphi Interior and Lighting Systems' magnesium alloy steering wheel component.

The Design of an Experiment to Choose an Aluminum Die Casting Alloy for Energy Absorbing Automotive Components

この紹介論文は、「SAE International (Reprinted from: Developments in Aluminum Use for Vehicle Design (SP-1164))」によって発行された論文「The Design of an Experiment to Choose an Aluminum Die Casting Alloy for Energy Absorbing Automotive Components」に基づいています。 1. 概要: 2. 抄録: エネルギー吸収特性を必要とする部品としてステアリングホイールを対象とし、部品サプライヤー、ダイカストメーカー、アルミニウムサプライヤーからなる開発チームが、適切なアルミニウム合金の開発を目的として結成されました。部品に求められる機械的特性の概要が示され、研究対象となるアルミニウム合金系が選定されました。機械的特性および鋳造特性に影響を与える可能性が最も高い合金元素を検討した後、8種類の合金バリアントと、それらがダイカスト試験片の鋳放し状態の特性に及ぼす影響を試験するための実験が設計されました。試験片は3つの異なる研究所で試験され、その結果を用いて合金元素とその相互作用の影響が決定されました。データは、鋳放し状態で205 MPa (30 ksi)のUltimate tensile strength、105 MPa (15 ksi)の0.2% yield strength、および15%のelongationを超える能力を持つ、鋳造可能なアルミニウム-マグネシウム合金の適合性を裏付けました。本稿では、実験計画、合金製造、鋳造条件、そして優先合金の選択に至る結果の解釈について述べます。 3. 緒言: 乗用車のエネルギー効率向上のための国家的関心が高まる一方で、車両サイズの縮小や装備の削減を受け入れる傾向がないため、車体およびシャシー重量を削減するための経済的な軽量エネルギー吸収部品の明白なニーズがあります。軽合金、ダイカスト薄肉部品は所望の軽量化をもたらしますが、部品の経済性と機械的特性を考慮する必要があり、これらは合金の選択と使用される鋳造プロセスによって決定されます。マグネシウム合金は最良の軽量化のための選択肢となりますが、市場が拡大するにつれて、マグネシウムの選択は供給と価格の安定性に大きく依存するようになります。その結果、アルミニウムが強力な競争相手となります。一般的に使用されるアルミニウムダイカスト合金は、鋳放し状態での延性がかなり劣っており、Aluminum Association (AA) 合金 364.0, 443.0, 515.0, および 518.0 のみが7.5%を超えるelongationを示します。本研究は、Delphi

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Figure 4: The deformation of the salt core in a casting experiment.

高圧ダイカストにおける流体構造連成による消失コア変形モデリングに向けて

本稿は、「The 13th OpenFOAM Workshop (OFW13), June 24-29, 2018, Shanghai, China」にて発表された論文「TOWARDS THE MODELING OF FLUID-STRUCTURE INTERACTIVE LOST CORE DEFORMATION IN HIGH-PRESSURE DIE CASTING」を基に作成されています。 1. 概要: 2. アブストラクト: 本稿では、高圧ダイカスト(HPDC)プロセスにおける消失塩コアの流体構造連成(FSI)をシミュレーションするための数値モデルの開発と検証について詳述する。OpenFOAM C++ツールボックスを利用し、圧縮性二相流(溶融金属と空気)と変形可能な固体コアとの相互作用を扱うために、fsiFoamソルバーフレームワーク内に新しいソルバークラスFSI::compInterFluidを実装した。このソルバーは標準的なOpenFOAMソルバーと比較してベンチマーク評価された。その後、このモデルは単純化された鋳造形状における塩コアの変形をシミュレーションするために適用され、その結果はコアの変形を示し、溶湯によって加えられる力に関する洞察を提供した。これらのシミュレーション結果は、実際のダイカスト試験から得られた実験データと比較検証され、同等のコア変形を示し、HPDCにおける消失塩コア使用の実現可能性を評価するモデルの潜在能力を確認した。 3. 緒言: 高圧ダイカスト(HPDC)は、自動変速機ハウジングやギアボックス部品などの自動車部品を大量かつ低コストで製造するための重要なプロセスである[1, 2]。HPDCでは、液体金属(通常はアルミニウムまたはマグネシウム)が複雑なゲートおよびランナーシステムを介して、高速(通常50~100 m/s)かつ高圧(最大100 MPa)で金型に射出される。アンダーカットや中空部(例:冷却用またはオイルフローチャネル用)を作成するために消失塩コアを使用することは、現在まで困難であることが証明されている[3, 4, 5, 6]。消失コアの材料として塩を使用するというアイデアは、機械メーカーや自動車会社によって提案されている[7, 8]。これが実際に実行可能かどうかを判断する1つの方法は、数値シミュレーションを用いることである[9]。本稿は、HPDCプロセス中の流体構造連成によるこのような消失コアの変形をモデリングすることに焦点を当てる。 4. 研究の概要: 研究トピックの背景: 本研究は、自動車部品製造に不可欠なプロセスである高圧ダイカスト(HPDC)を背景としている。鋳造部品に複雑な内部形状を作成するために消失塩コアを使用することに対する産業界の関心があり、これによりエンジニアの設計自由度が向上する可能性がある。しかし、過酷なHPDC環境での塩コアの成功裏な実装は、大きな課題に直面している。 従来の研究状況: 従来の研究や産業界の経験によれば、HPDCプロセス内で消失塩コアを使用することは困難であった[3]。塩コアを使用するというアイデアは提案されているものの[7, 8]、鋳造条件下でのその挙動を理解することが重要である。数値シミュレーションは、消失塩コアの実現可能性を評価するための重要なツールとして提案されている[9]。 研究の目的: 本研究の主な目的は、高圧ダイカスト中の消失塩コアの流体構造連成による変形をシミュレーションできる数値モデルを開発し、検証することである。これには、二相流体の複雑な物理現象と変形可能なコアとの相互作用を正確に捉えることができるソルバーの作成が含まれる。 研究の核心: 本研究の核心は、溶融金属と空気の二相流と変形可能な塩コアとの相互作用をモデリングすることである。これには、この流体構造連成(FSI)問題に適したOpenFOAMフレームワーク内の特定のソルバークラスFSI::compInterFluidの開発が含まれる。また、この新しいソルバーのベンチマーク評価と、シミュレーション結果を実験的なダイカスト試験と比較検証するプロセスも含まれる。 5. 研究方法論 研究計画: 本研究は以下のいくつかの段階で計画された: データ収集および分析方法: 流体側モデリング:溶融金属と空気の二相流は、VOF(Volume

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Figure 3.19: Effect of the holes on the flow pattern and solidification

高圧ダイカストプロセスにおける製品部品の最適化

本紹介論文は、「Mälardalen University Press Licentiate Theses」によって発行された論文「OPTIMIZATION PRODUCT PARTS IN HIGH PRESSURE DIE CASTING PROCESS」に基づいています。 1. 概要: 2. アブストラクト: 本論文は、統計ツールを用いた実験的観察と数値シミュレーションにより、A380合金の高圧ダイカスト(HPDC)における金型温度の最適化について述べるものです。本研究の目的は、これらの欠陥の発生を最小限に抑え、それによって欠陥のない部品の生産を最大化するための最適な金型温度を決定することです。 HPDCでは、溶融金属が高速(アルミニウム合金の場合40-60 m/s)で金型に射出されます。金型温度は、不良部品の発生率に重要な役割を果たします。したがって、非常に複雑な形状を持つ自動車部品(EF7モーターのラダーフレーム)のHPDCにおける溶融金属の流動パターンを検討し、最適な金型温度を決定しました。 生産プロセスにおける欠陥は、表面欠陥、内部欠陥、寸法欠陥の3つのカテゴリーに分類されます。実験で生産されたサンプルは、存在する欠陥に応じて分類されました。 鋳造欠陥に影響を与えるもう1つの重要なパラメータは冷却速度です。金型温度は、初期段階と最終充填位置で測定されました。実験は、150°Cから250°Cの範囲の金型温度で行われました。その結果、初期段階と最終充填位置の間の金型内の溶融金属の温度差は20〜25°Cでした。 回帰、関係、最大値、最小値、相関、ANOVA、T検定、主成分分析(PCA)、記述統計などの統計ツールを使用して、ダイカスト実験からのデータの解釈を容易にしました。 プロセスの挙動を研究し、影響パラメータに関するより良い知識を得て、必要なパラメータを測定するために、いくつかのケーススタディを実行します。収集されたデータは、次の目的で利用されます。 ProCastソフトウェアを使用して流体の流れと凝固ステップをシミュレーションし、その結果は実験測定によって検証されました。この合金の最適な金型温度は200°C以上であることがわかりました。 実験結果の統計分析により、ラダーフレームのHPDCにおいて、210°Cから215°Cの金型温度範囲内で欠陥が最小化され、良品部品が最大化されることがわかりました。 3. 緒言 (はじめに): 高圧ダイカスト(HPDC)プロセスは、アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛から部品を製造するために広く使用されている製造方法であり、金型への正確な適合性、良好な機械的特性、低コスト、複雑な形状の部品を製造できる能力などの利点があります。このプロセスは、自動車産業や航空宇宙産業を含む様々な産業で不可欠です。しかし、HPDC部品の品質は、溶湯温度、射出圧力、金型温度、部品の複雑さ、射出速度など、多くのパラメータに影響されます。本研究は、製造された部品の欠陥に対する金型温度の影響を調査することに焦点を当てています。部品の複雑化と最適化の必要性の高まりに伴い、数値解析手法は製造プロセスに関連する物理的問題を解決するための不可欠なツールとなりつつあり、従来の試行錯誤によるアプローチと比較して時間とコストを大幅に削減できます。本論文は、特にダイカストアルミニウム合金とその自動車産業への応用を取り上げ、鋳造形状、製造パラメータ、ダイカストプロセス構成要素間の関係を理解し最適化することで、廃棄物を削減し欠陥を最小限に抑えることを目的としています。 4. 研究の概要: 研究テーマの背景: 高圧ダイカスト(HPDC)は、A380アルミニウムなどの合金を使用し、特に自動車分野で複雑な金属部品を製造するための重要な製造プロセスです。このプロセスでは、溶融金属を高速・高圧で金型に射出します。HPDCはネットシェイプに近い形状での製造や良好な機械的特性といった利点がありますが、最終的な部品品質はプロセスパラメータに非常に敏感です。最適でない条件では欠陥が発生し、コスト増や廃棄物の原因となります。これらのパラメータ、特に金型温度を最適化することは、健全な鋳物を保証するために不可欠です。これらのパラメータ間の複雑な相互作用を理解し最適化するために、数値シミュレーションツールがますます利用されています。 先行研究の状況: 本研究は、HPDCプロセスの物理、凝固理論、および欠陥形成メカニズムに関する既存の知識体系に基づいています。核生成理論(例:古典的ギブスモデル、非古典的モデル)および凝固微細構造の発達に関する確立された理論が、研究の科学的基盤を形成しています。ProCastのような計算ツールを鋳造プロセスにおける流体の流れ、熱伝達、および凝固のシミュレーションに使用することは、十分に開発された分野です。本研究は、これらの確立された原理とツールを適用して、新たに設計された複雑な自動車部品(EF7エンジン用ラダーフレーム)の金型温度を最適化し、欠陥を最小限に抑えるという特定の課題に取り組みます。 研究の目的: 本研究の主な目的は、A380アルミニウム合金の高圧ダイカスト(HPDC)において、欠陥の発生を最小限に抑え、それによって良品部品の生産を最大化するための最適な金型温度を決定することです。具体的な目的は次のとおりです。 核心的研究: 本研究の核心は、HPDCプロセスによって製造されるA380アルミニウム合金自動車部品(EF7モーターのラダーフレーム)の金型温度最適化に関する包括的な調査です。これは、実験的観察と数値シミュレーションの組み合わせによって達成されました。実験は、金型温度(150℃から250℃)と溶湯温度を体系的に変化させながら、欠陥形成を監視することによって行われました。その複雑な形状のために選択されたラダーフレームが試験部品として使用されました。ProCastソフトウェアを使用した数値シミュレーションにより、流体の流れと凝固段階をモデル化し、その結果は実験測定によって検証されました。回帰分析、ANOVA、PCAなどの統計ツールを使用して実験データを分析し、最適なプロセス条件を特定しました。 5. 研究方法: 研究計画: 本研究では、実験と数値シミュレーションを組み合わせたアプローチを採用しました。実験は、工業用HPDC機(IDRA1600)を使用し、A380アルミニウム合金を用いて、EF7モーターの複雑な自動車部品である「ラダーフレーム」を製造する形で行われました。調査した主な変数は金型温度で、150℃から250℃の範囲とし、溶湯温度も監視・制御しました。ProCastソフトウェアを用いて、様々な条件下での金型充填および凝固プロセスをモデル化する数値シミュレーションを実施しました。その後、シミュレーション結果の精度と信頼性を確保するために、実験測定によって検証を行いました。 データ収集・分析方法: データ収集には、初期段階と最終充填位置での金型温度の測定、およびダイ入口(射出開始時)とダイ出口(射出終了時)での溶湯温度の測定が含まれました。信頼性を確保するために各条件で3回の繰り返し実験を行い、合計800回の実験を実施しました。欠陥部品を特定し、X線検査、三次元測定機(CMM)、金属組織検査、目視検査などの様々な分析手法を用いて欠陥の種類(表面、内部、寸法)を決定しました。データ分析は、回帰、関係、最大値、最小値、相関、ANOVA、T検定、主成分分析(PCA)、記述統計などの一連の統計ツールを使用して行われました。ProCastソフトウェアは、流体の流れと凝固のシミュレーションに使用され、温度分布、充填パターン、および潜在的な欠陥箇所に関する洞察を提供しました。 研究課題と範囲: 本論文の範囲は、高圧ダイカスト法を用いて、複雑な形状で欠陥を最小限に抑えたA380アルミニウム合金製部品の製造に焦点を当てています。中心的な研究課題は、鋳造欠陥を最小限に抑えるための金型温度の最適化です。本研究は、非常に複雑な形状を持つ特定の自動車部品(ラダーフレーム)の品質に対する金型温度の影響を調査します。本研究は、実験結果をモデル化し、シミュレーション結果を経験的に確認するために、エンジニアリングProCastソフトウェアを使用した数値シミュレーションと実験作業を組み合わせています。また、ランナーやオーバーフローの位置などの設計パラメータと、金型温度や溶湯温度などの製造パラメータとの関係も探求します。 6. 主要な結果: 主要な結果: 本研究は、複雑なラダーフレーム部品において欠陥を最小限に抑え、A380アルミニウム合金のHPDCによる良品部品の生産を最大化するための最適な金型温度範囲を特定することに成功しました。 図のリスト: 7. 結論:

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