Paweł Popielarski - Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

Paweł Popielarski - Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

Politechnika Pozna ska
Wydział Budowy Maszyn i Zarz dzania
Zał cznik 1
Autoreferat do wniosku o nadanie stopnia naukowego
doktora habilitowanego
Dr in . Paweł Popielarski
Pozna , 2016
I.
Imi i nazwisko
Paweł Popielarski
II.
Posiadane dyplomy, stopnie naukowe
Stopie magistra in yniera:
Data: 02.10.1998 r.
Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn, Wydział Budowy Maszyn i
Zarz dzania
Stopie doktora nauk technicznych
Data: 26.03.2004 r.
dyscyplina budowa i eksploatacja maszyn
III.
Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych
Podczas ostatniego roku studiów (6.1.1998 r.) rozpocz łem prac w Zakładzie
Odlewnictwa Politechniki Pozna skiej na stanowisku technika. Po obronieniu
pracy magisterskiej zostałem zatrudniony na stanowisku Specjalisty i
równocze nie rozpocz łem stacjonarne studia doktoranckie na Wydziale
Budowy Maszyn i Zarz dzania Politechniki Pozna skiej. W 2004 roku
rozpocz łem prac
na stanowisku adiunkta w Instytucie Technologii
Materiałów.
Historia zatrudnienia:
6.01.1998 – 30.09.1998 technik
01.10.1998 – 30.09.2004 specjalista
01.10.2004 – obecnie
adiunkt
IV.
Wskazanie osi gni cia wynikaj cego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14
marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz
o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.)
IV.A.
Osi gni cie naukowe do post powania habilitacyjnego stanowi cykl:
3 rozdziałów w monografiach naukowych i 11 artykułów dotycz cych
zagadnienia:
Bazy danych w zagadnieniach modelowania i wirtualizacji procesów odlewania
IV.B. Spis jednotematycznych publikacji stanowi cych osi gni cie naukowe
zgłoszone jako podstawa do przewodu habilitacyjnego
2
Rozdziały w monografiach naukowych
Wydane za granic
B1. Popielarski P. (80%), Ignaszak Z., Effective modeling of phenomena in overmoisture zone existing in porous sand mould subjected to thermal shock, Drying
and Energy Technologies, Springer International Publishing, Switzerland 2016,
s. 181 – 206
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji bada walidacyjnych,
współwykonaniu bada eksperymentalnych, opracowaniu metodyki bada i
wykonaniu bada
symulacyjnych, wyznaczeniu zast pczych parametrów
termofizycznych badanej wilgotnej masy formierskiej, opracowaniu wyników
bada , formułowaniu wniosków, zredagowaniu tekstu.
B2. Ignaszak Z., Popielarski P. (50%), Contribution to Thermal Properties of MultiComponent Porous Ceramic Materials Used in High-Temperature Processes in
the Foundry Industry, Heat and Mass Transfer in Porous Media, Springer-Verlag
Berlin Heidelberg 2012, s. 187 – 218
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji pracy, współwykonaniu bada
eksperymentalnych, opracowaniu metodyki bada
i wykonaniu bada
symulacyjnych, wyznaczeniu zast pczych parametrów fizycznych materiałów
przedstawionych w podrozdziałach 7 i 8, współopracowaniu wyników bada ,
sformułowaniu cz ci wniosków, współredagowaniu tekstu.
Wydane w kraju
B3. Ignaszak Z., Mikołajczak P., Popielarski P. (45%), Specyfika i przykłady metod
walidacji on-line dla potrzeb systemów prognozuj cych jako
odlewów
przemysłowych, Innowacje w odlewnictwie cz
III, Instytut Odlewnictwa 2010,
aneks xi - 23 strony
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji pracy, współwykonaniu cz ci
bada eksperymentalnych, opracowaniu metodyki bada i wykonaniu bada
symulacyjnych, wyznaczeniu zast pczych współczynników wymiany ciepła dla
warunków odlewania od rodkowego z zastosowaniem natrysku wodnego,
wyznaczeniu zast pczych parametrów termofizycznych materiałów stosowanych
na formy jednorazowe, opracowaniu cz ci wyników bada , sformułowaniu cz ci
wniosków, współredagowaniu tekstu.
Artykuły naukowe
B.4. Ignaszak Z., Popielarski P. (50%), Sensitivity tests of simulation models used in
chosen calculation codes on uncertainty of thermo-mechanical parameters during
virtual mechanical stress estimation for ferrous alloy castings, Defect and
Diffusion Forum, 2011, Vols. 312-315, s. 758-763, lista A 20 pkt. (lista z
25.06.2010 r., pozycja A 2184)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji metodyki pracy,
współwykonaniu bada eksperymentalnych, opracowaniu metodyki bada i
3
wykonaniu bada
symulacyjnych w kodach Procast i NovaFlow&Solid,
opracowaniu
wyników
bada ,
sformułowaniu
cz ci
wniosków,
współredagowaniu tekstu.
B.5. Ignaszak Z., Popielarski P.(50%), Str k T., Estimation of coupled thermophysical and thermo-mechanical properties of porous thermolabile ceramic
material using Hot Distortion Plus® test, Defect and Diffusion Forum, 2011, Vols.
312-315, s. 764-769, lista A 20 pkt. (lista z 25.06.2010 r., pozycja A 2184)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji pracy, opracowaniu metodyki i
wykonaniu bada symulacyjnych w kodzie Comsol, wyznaczeniu zast pczych
parametrów termomechanicznych masy formierskiej z zastosowaniem modelu
spr ystego,
opracowaniu
wyników
bada ,
formułowaniu
wniosków,
współredagowaniu tekstu.
B.6. Ignaszak Z., Popielarski P.(70%), Application of simplified inverse solution to
estimate the thermo-physical parameters of granular porous materials bonded by
different resins, Defect and Diffusion Forum, 2012, Vols. 326-328, s. 605-611,
lista A 20 pkt. (lista z 25.06.2010 r., pozycja A 2184)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji pracy, opracowaniu metodyki
bada i wykonaniu bada symulacyjnych w kodzie Comsol, wyznaczeniu
zast pczych
parametrów
termomechanicznych
masy
formierskiej
z
zastosowaniem modelu spr ysto-plastycznego, opracowaniu wyników bada ,
formułowaniu wniosków, współredagowaniu tekstu.
B.7. Ignaszak Z., Popielarski P. (70%), Problem of the variability of substitute
thermo-physical properties for heat transfer in iso and iso-exo porous materials,
Defect and Diffusion Forum, 2009, Vols. 283-286, s. 376-381, lista A 15 pkt.
(lista z 28.08.2008 r., pozycja A 1935, od 18.06.2009 r. pozycja A 2104)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji bada walidacyjnych,
współwykonaniu bada eksperymentalnych, opracowaniu metodyki bada i
wykonaniu bada
symulacyjnych, wyznaczeniu zast pczych parametrów
termofizycznych otulin izolacyjno-egzotermicznych oraz sypkich materiałów
egzotermicznych stosowanych na zasypki na nadlewy, opracowaniu wyników
bada , formułowaniu wniosków, współredagowaniu tekstu.
B.8. Ignaszak Z., Popielarski P. (50%), Heat Transfer During Hot Distortion Test of
Ceramic Porous Material Bonded by Various Resins, Defect and Diffusion Forum,
2009, Vols. 283-286, s. 382-387, lista A 15 pkt. (lista z 28.08.2008 r., pozycja A
1935, od 18.06.2009 r. pozycja A 2104)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji bada walidacyjnych,
współwykonaniu cz ci bada eksperymentalnych, opracowaniu metodyki bada
i wykonaniu bada symulacyjnych, wyznaczeniu zast pczych parametrów
termofizycznych badanych mas formierskich i rdzeniowych, opracowaniu wyników
bada , formułowaniu wniosków, współredagowaniu tekstu.
4
B.9. Ignaszak Z., Popielarski P. (60%), Problems of Heat Source Modeling In Iso–
exothermic Materials Used as Riser Sleeves in Foundry. Materials Science Forum
Vols. 514-516, 2006, s.1438-1442, lista A 15 pkt. (lista z 3.11.2005 r., pozycja
A 5121)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji bada walidacyjnych,
współwykonaniu bada eksperymentalnych, opracowaniu metodyki bada i
symulacyjnych, wyznaczeniu zast pczych parametrów
wykonaniu bada
termofizycznych otulin egzotermicznej i izolacyjno-egzotermicznej, opracowaniu
wyników bada , formułowaniu wniosków, współredagowaniu tekstu.
B.10. Ignaszak Z., Popielarski P.(40%), Hajkowski J., Codina E., Methodology of
comparative validation of selected foundry simulation codes, Archives of Foundry
Engineering, Volume 15, Issue 4/2015, s 37-44, lista B 15 pkt. (lista z
23.12.2015 r., pozycja B 188)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji pracy, opracowaniu
metodyki i według niej wykonaniu bada symulacyjnych w kodach Procast (model
makro i model mikro), NovaFlow&Solid i Vulcan, współudziale w wyznaczeniu
krzywej ułamka fazy stałej i krzywej g sto ci
eliwa EN-GJL250,
współopracowaniu wyników prognoz porowato ci, formułowaniu cz ci wniosków,
współredagowaniu tekstu.
B.11. Ignaszak Z., Hajkowski J., Popielarski P. (30%), Examples of New Models
Applied in Selected Simulation Systems with Respect to Database, Archives of
Foundry Engineering, Volume 13 Issue 1/2013, p. 45-50, lista B 6 pkt. (lista z
21.12.2012 r., pozycja B 160)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji pracy, opracowaniu metodyki i
według niej wykonaniu bada
symulacyjnych w kodzie Procast oraz
współwykonynaniu bada symulacyjnych w kodzie Calcosoft, współopracowaniu
wyników bada , sformułowaniu cz ci wniosków, współredagowaniu tekstu.
B.12. Ignaszak Z., Popielarski P. (70%), Identyfikacja podstawowych zast pczych
współczynników termofizycznych masy formierskiej w zale no ci od grubo ci
cianki odlewu. Archiwum Odlewnictwa, rok 2006, rocznik 6, nr 22, s224-231,
lista B 6 pkt. (lista z 3.11.2005 r. pozycja B 102)
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji bada walidacyjnych,
współwykonaniu bada eksperymentalnych, , opracowaniu metodyki i według niej
wykonaniu bada
symulacyjnych, wyznaczeniu zast pczych parametrów
termofizycznych badanej masy formierskiej w zale no ci od grubo ci cianki
odlewu, opracowaniu wyników bada , formułowaniu wniosków, zredagowałem
tekst.
B.13. Drotlew A., Ignaszak Z., Bie ko G., Popielarski P. (30%), Identyfikacja
termofizycznych wła ciwo ci mas formierskich z dodatkiem mikroochładzalników.
Archiwum Odlewnictwa, rok 2004, rocznik 4, nr 14, s.132-137, lista B 6 pkt. (lista
3.11.2005 r. pozycja B 102)
5
Mój udział polegał na współwykonaniu bada eksperymentalnych, opracowaniu
metodyki bada i według niej wykonaniu bada symulacyjnych, wyznaczeniu
zast pczych parametrów termofizycznych badanych mas formierskich
w zale no ci od grubo ci cianki odlewu,
opracowaniu wyników bada
symulacyjnych, konsultowaniu tekstu.
B.14. Ignaszak Z., Popielarski P. (35%), Hajkowski J., Dudziak B., Go cia ski M.,
Cellular Automaton method applied for microstructure prediction of Al-Si casting
treated by laser beam, 4th International Conference on Integrity, Reliability and
Failure, Funchal (Madeira) 23-27 June 2013, pp 401-402
Mój udział polegał na współopracowaniu koncepcji pracy, współopracowaniu
metodyki bada i wykonaniu bada symulacyjnych w kodzie Calcosoft,
przeprowadzeniu walidacji energetycznej, wyznaczeniu warunków brzegowych,
współwykonaniu
bada
symulacyjnych w
kodzie
Calcosoft
CAFE,
współopracowaniu wyników bada , sformułowaniu cz ci wniosków,
współredagowaniu tekstu.
Tabela 1. Spis tabelaryczny jednotematycznych publikacji stanowi cych osi gni cie
naukowe
Nr
Publikacja
B1
Popielarski P., Ignaszak Z., Effective modeling of phenomena in
over-moisture zone existing in porous sand mould subjected to
thermal shock, Drying and Energy Technologies, Springer
International Publishing, Switzerland 2016, s. 181 – 206
Ignaszak Z., Popielarski P., Contribution to Thermal Properties of
Multi-Component Porous Ceramic Materials Used in HighTemperature Processes in the Foundry Industry, Heat and Mass
Transfer in Porous Media, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
2012, s. 187 – 218
Ignaszak Z., Mikołajczak P., Popielarski P., Specyfika i przykłady
metod walidacji on-line dla potrzeb systemów prognozuj cych
jako odlewów przemysłowych, Innowacje w odlewnictwie cz
III, Instytut Odlewnictwa 2010, aneks xi - 23 strony
Ignaszak Z., Popielarski P., Sensitivity tests of simulation models
used in chosen calculation codes on uncertainty of thermomechanical parameters during virtual mechanical stress estimation
for ferrous alloy castings, Defect and Diffusion Forum, 2011, Vols.
312-315, s. 758-763
Ignaszak Z., Popielarski P., Str k T., Estimation of coupled
thermo-physical and thermo-mechanical properties of porous
thermolabile ceramic material using Hot Distortion Plus® test,
Defect and Diffusion Forum, 2011, Vols. 312-315,
s. 764-769
Ignaszak Z., Popielarski P., Application of simplified inverse
solution to estimate the thermo-physical parameters of granular
porous materials bonded by different resins, Defect and Diffusion
Forum, 2012, Vols. 326-328, s. 605-611
B2
B3
B4
B5
B6
Punktacja
MNiSzW
w czasie
wydania
Rozdz. w
monografii
5
Rozdz. w
monografii
5
Rozdz. w
monografii
3
A 20
A 20
A 20
6
B7
B8
B9
B10
B11
B12
B13
B14
Ignaszak Z., Popielarski P., Problem of the variability of
substitute thermo-physical properties for heat transfer in iso and
iso-exo porous materials, Defect and Diffusion Forum, 2009, Vols.
283-286, s. 376-381
Ignaszak Z., Popielarski P., Heat Transfer During Hot Distortion
Test of Ceramic Porous Material Bonded by Various Resins,
Defect and Diffusion Forum, 2009, Vols. 283-286, s. 382-387
Ignaszak Z., Popielarski P., Problems of Heat Source Modeling In
Iso–exothermic Materials Used as Riser Sleeves in Foundry.
Materials Science Forum Vols. 514-516, 2006, s.1438-1442
Ignaszak Z., Popielarski P., Hajkowski J., Codina E.,
Methodology of comparative validation of selected foundry
simulation codes, Archives of Foundry Engineering, Volume 15,
Issue 4/2015, s 37-44
Ignaszak Z., Hajkowski J., Popielarski P., Examples of New
Models Applied in Selected Simulation Systems with Respect to
Database, Archives of Foundry Engineering, Volume 13 Issue
1/2013, p. 45-50
Ignaszak Z., Popielarski P., Identyfikacja podstawowych
zast pczych współczynników termofizycznych masy formierskiej w
zale no ci od grubo ci cianki odlewu. Archiwum Odlewnictwa,
rok 2006, rocznik 6, nr 22, s224-231
Drotlew A., Ignaszak Z., Bie ko G., Popielarski P., Identyfikacja
termofizycznych wła ciwo ci mas formierskich z dodatkiem
mikroochładzalników. Archiwum Odlewnictwa, rok 2004, rocznik 4,
nr 14, s.132-137
Ignaszak Z., Popielarski P., Hajkowski J., Dudziak B.,
Go cia ski M., Cellular Automaton method applied for
microstructure prediction of Al-Si casting treated by laser beam,
4th International Conference on Integrity, Reliability and Failure,
Funchal (Madeira) 23-27 June 2013, pp 401-402
A 15
A 15
A 15
B 15
B6
B6
B6
-
IV.C. Omówienie celu naukowego i osi gni tych wyników prac
1. Geneza pracy – rys historyczny
Pocz tki zainteresowania krajowych rodowisk uczelnianych, a po paru latach,
sukcesywnie, tak e rodowisk przemysłowych mo liwo ciami jakie niosły za sob
wizje wykorzystania matematycznych metod w projektowaniu technologii
odlewniczych, datuj si przynajmniej od lat siedemdziesi tych XX wieku.
Niekwestionowan rol odegrały wtedy w kraju gremia skupione wokół tzw.
problemów centralnie sterowanych, skupiaj ce wiod ce o rodki uczelni
technicznych, zajmuj ce si tematyk metalurgiczno-odlewnicz .
Pierwszy z tych problemów pod nazw Mi dzyresortowego Problemu Bada
Podstawowych MR nr l 20 prowadzony był w latach 1976-1980 i drugi w latach
1981-85 (koordynatorem był Instytut Odlewnictwa Politechniki l skiej, kierowany
przez prof. W. Sakw ) [1]
Badania realizowane (w ramach trzech pi ciolatek) w kilku o rodkach
zajmuj cych si w swoich pracach badawczych zagadnieniami z zakresu metalurgii i
7
odlewnictwa (o rodki: cz stochowski, gliwicki, krakowski, łódzki, opolski, pozna ski,
rzeszowski, szczeci ski, warszawski, wrocławski, zielonogórski) koncentrowały si
wokół szeroko uj tej tematyki procesów krzepni cia i krystalizacji stopów
odlewniczych. Zakres ten został podzielony na sze grup tematycznych. O rodek
pozna ski uczestniczył od pocz tku w dwóch z tych tematów: „Wpływ czynników
fizycznych na proces krystalizacji” oraz „Matematyczne metody analizy i kierowania
procesami krzepni cia”.
Tematyka bada prowadzonych w obu pi ciolatkach przez zespół pozna ski (od
1981 roku tematem kierował prof. K. Hess, a nast pnie Zenon Ignaszak) obejmowała
[1]:
• wyznaczenie zakresu mo liwo ci ró nicowania szybko ci odprowadzania
ciepła z odlewu przez dost pne i spełniaj ce okre lone wymagania
technologiczne materiały formy, z poszukiwaniem nowych materiałów i
technologii rozszerzaj cych mo liwo ci sterowania ciepłochłonn aktywno ci
formy,
• oznaczanie parametrów termofizycznych materiałów formy w ró nych
warunkach przepływu ciepła (stan ustalony i nieustalony) na potrzeby oblicze
projektowych technologii formy, prowadzonych tradycyjnie (z wykorzystaniem
metod analitycznych), a tak e realizowanych coraz powszechniej jako
numeryczne symulacje krzepni cia; takie działania badawcze poprzedzone
były zawsze opracowaniem metod pomiarowych, z zaprojektowaniem i
wykonaniem ich wyposa enia oraz z testowaniem stanowisk; a nast pnie
z analiz i wskazaniem stosowalno ci współczynników termofizycznych
(pochodz cych z wst pnych bada własnych i z literatury),
• weryfikacj wyników oblicze wymiany ciepła w układzie odlew–forma (w tym
symulacji numerycznej) z wykorzystaniem wyznaczonych współczynników. [1]
Kolejna pi ciolatka weszła w zakres problemu CPBP 02.09 "Krzepni cie i
krystalizacja metali – Odlewnictwo” [2]. Problem prowadzony był w 6 grupach
tematycznych.
Zespól pozna ski uczestniczył w grupie l - Aplikacja metod fizycznych do
uszlachetniania odlewów (kierownik grupy – prof. J. Gawro ski) – a tytuł zadania
brzmiał: „Badania testuj ce mikrokomputerowego systemu pomiarowego,
identyfikacja parametrów termofizycznych form” (pod kierunkiem Z. Ignaszaka).
Rozwijano metodyk i aparatur do prowadzenia analizy termicznej w układach
odlew-forma w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych oraz parametrów
termofizycznych mas formierskich i rdzeniowych, w tym oryginalny analogowokomputerowy system pomiarowy MSP. Potwierdzono jego pełn przydatno
do
realizacji pomiarów tych parametrów termofizycznych. Wykonywano równolegle
badania symulacyjne krzepni cia odlewów, oceniaj c wra liwo
uzyskiwanych
wyników w aspekcie wpływu na nie jako ci baz danych. Ten wpływ okre lano
ilo ciowo dla poszczególnych wła ciwo ci termofizycznych układu odlew-forma
wyznaczanych w badaniach do wiadczalnych. Okre lono równie hipotetyczny
wpływ na wy ej wymienione parametry wilgotno ci masy i kondensacji pary w masie
8
w trakcie procesu zalewania formy. Temat zako czono opracowaniem katalogu
własno ci termofizycznych badanych mas formierskich.
Zespół pozna ski brał udział tak e w zadaniu 4: „Komputerowe projektowanie
technologii odlewniczych” (kierownik grupy prof. B. Mochnacki).
Mówi c „O rodek pozna ski” autor ma na my li zespół bior cy udział
w projektach (w wymienionych problemach): A. Baranowski, M. Hajkowski, K. Hess
(zm. w 1979 r.), Z. Ignaszak, K. Brami ski, M. Staderski. Pó niej, po roku 1984
w problemie CPBP 02.09 pracowała tak e grupa prof. Radwana w tematyce:
„Budowa urz dzenia do wytwarzania odlewów steksturowanych i badania tekstury po
krystalizacji” oraz „Badanie rozkładów prawdopodobie stwa st e składników
w stopach miedzi i stopach elaza oraz staliwie arowytrzymałym”.
Współpraca o rodka pozna skiego w latach 1976-1992 – w ramach obu
problemów (trzy pi ciolatki) z zespołami z czołowych o rodków krajowych, pozwoliła
mi dzy innymi na wykreowanie oryginalnej tematyki bada podstawowych i
stosowanych skupiaj cych si wokół zagadnie : „Virtual prototyping w odlewnictwie.
Bazy danych i walidacja”. W roku 2002 opublikowana została praca pod tym tytułem
[3] stanowi ca z jednej strony podsumowanie prac realizowanych i kierowanych
przez Z. Ignaszaka a z drugiej – była wykładni rozwoju nowego, młodego,
organizuj cego si zespołu, w którym uczestniczyłem wraz z P. Mikołajczakiem i
J. Hajkowskim. Tematyka realizowanych przez zespół bada zaznaczyła si
w obszarze nauki i współpracy z przemysłem odlewniczym w kraju i poza jego
granicami. Ta wizja rozwoju sprawdziła si i sprawdza nadal w kolejnych latach pracy
zespołu. Wyniki prac badawczych owocuj podejmowaniem nowych wyzwa i
nowymi publikacjami. Mój dorobek nawi zuje do tej zasygnalizowanej przeszło ci i
potwierdza słuszno podj cia tego kierunku rozwijania zagadnie z głównego nurtu
wirtualizacji procesów odlewania, wskazuj c na mój znacz cy udział w tych
przedsi wzi ciach.
2. Wprowadzenie
2.1. Miejsce kodów symulacyjnych w przemy le odlewniczym
Odlewnictwo metali i stopów jest metod produkcji wyrobów, zwanych wprost
odlewami, daj c
szerokie mo liwo ci ich geometrycznego kształtowania i
jednoczesnego oddziaływania na ich lokalne cechy u ytkowe, niemo liwe do
uzyskania w tym zakresie (na przekrojach cian wyrobów) za pomoc innych
technologii przetwarzania materiałów. wiadome sterowanie struktur , a wi c tak e
cechami u ytkowymi odlewów, w szczególno ci pozwalaj ce na sterowanie
wła ciwo ciami mechanicznymi, jest mo liwe dzi ki synergicznym powi zaniom
wiedzy teoretycznej i stosowanej o procesach metalurgicznych i o ró nych
technologiach odlewania w aspekcie aplikacji w praktyce. Zabiegi metalurgiczne,
w piecu topialnym i zabiegi pozapiecowe, zwi zane z przygotowaniem stopu,
wynikaj z d enia do uzyskania zdefiniowanej z góry jego jako ci metalurgicznej.
Jest ona oceniana przed wypełnieniem formy przez stop i obejmuje szereg
parametrów. W badaniach przedstawionych
w niniejszym opisie, w których
stosowano ciekłe stopy, identyfikacj jako ci metalurgicznej sprowadzono do składu
9
chemicznego (metody spektralne), historii temperaturowej wytopu, a szczególnie do
pomiaru temperatury w kadzi tu przez zalaniem formy. Niekiedy oceniano tak e
parametry stopu wynikaj ce z analizy termicznej (metoda DTA – Differential Thermal
Analysis).
W trakcie i po wprowadzeniu stopu do wn ki formy, nast puje szereg
intensywnych procesów fizyko-chemicznych wzajemnego oddziaływania w układzie
odlew-forma, wynikaj cych z szoku cieplnego jakiemu poddawany jest materiał
formy. Uwa a si , e zdecydowana wi kszo problemów i wad odlewniczych ma
miejsce w zwi zku z okresem wypełniania formy. Jednocze nie jednak powstaj
szerokie mo liwo ci sterowania procesem krzepni cia i stygni cia odlewu, według
klasycznych lub/i specjalnych procedur przewidzianych w projekcie koncepcji
odlewania, mo liwych do zastosowania dla danego stopu, dla danych technologii i
w funkcji oczekiwanych cech u ytkowych wynikaj cych z przeznaczenia odlewu.
W klasycznym podej ciu do projektowania technologii, wykonanie odlewu o
dobrej (zało onej przez konstruktora/u ytkownika jako ci), z mo liwie najmniejsz
ilo ci wad nawet poni ej progu tzw. wad dopuszczalnych, zgodnie z typow jeszcze
i dzisiaj procedur , wymaga wykonania odlewów próbnych (ang. specimen castings),
w celu sprawdzenia (na drodze bada kontrolnych, w tym nieniszcz cych na
odlewach, ich fragmentach, na próbkach przylanych) skuteczno ci opracowanej
technologii. Wykonanie odlewów próbnych, w przypadku zało onej korekty
technologii odlewania, zwi ksza koszt przygotowania produkcji i znacznie wpływa na
czas uzyskania pierwszych odlewów przeznaczonych do sprzeda y, który ma
szczególne znaczenie w odniesieniu do odlewów prototypowych, a szczególnie
jednostkowych. Dlatego racjonaln
procedur
optymalizacyjn
projektowania
technologii odlewania, stało si
wykorzystanie systemów komputerowych,
wspomagaj cych ten proces, zwanych te w odlewnictwie kodami symulacyjnymi.
Nie oznacza to rezygnacji z operacji i procedur kontroli jako ci. Wprost przeciwnie,
zaawansowane zasady projektowania technologii i przestrzeganie zasady „tolerence
of damage” [4] nakładaj szczególne wymagania zwłaszcza na badania nieniszcz ce
odlewów [5] i jednocze nie staj si permanentn okazj wspomagaj c działania
walidacyjne odno nie systemów komputerowych. Poj cia wirtualizacja i walidacja
zwi zane s nierozerwalnie z efektywnym u ytkowaniem tych systemów (kodów)
symulacyjnych.
Ko cowe dziesi ciolecie XX wieku to okres coraz szybszego rozwoju szeroko
poj tych technik informatycznych. Komputery stały si podstawowym narz dziem
w ró nych dziedzinach ycia gospodarczego i codziennego, znajduj c równie
szerokie zastosowanie w badaniach naukowych, w tym odlewnictwie. Jeszcze
w latach osiemdziesi tych XX wieku do odlewni wprowadzano proste programy
komputerowe wspomagaj ce obliczenia technologiczne oparte o modele klasyczne o
podło u empirycznym. Programy te wykorzystywano do szybkiego, wynikaj cego ze
znanych zasad, doboru konfiguracji i wymiarów układów wlewowych oraz do
uproszczonego obliczania tzw. cie ek kierunkowego zasilania i obliczania wielko ci
nadlewów. Pojawiały si te próby komputerowego symulowania krzepni cia
w układzie 2D, a nawet w 3D oparte o proste zale no ci empiryczne np. Solstar
(opracowany przez specjalistów z Foseco – wiod cej firmy o zasi gu wiatowym,
10
oferuj cej materiały i technologie dla odlewnictwa i udost pniony w 1994 roku) oparty
o znan formuł Chvorinova.
Kolejn
równolegle rozwijan
grup
programów stanowiły aplikacje
ułatwiaj ce tworzenie rysunkowej dokumentacji technicznej. Za pomoc takich
programów jak np. AutoCAD opracowywano dokumentacj koncepcji odlewania i
rysunki wykonawcze oprzyrz dowania modelowego i na tym ko czyła si ich
aplikacja w projektowaniu.
Wraz z rozwojem mikroelektroniki i ze wzrostem mocy obliczeniowej
komputerów w latach 90-tych XX wieku do przemysłu budowy maszyn stopniowo
wprowadzano systemy CAD/CAM w obszarze obróbki skrawaniem oraz CAD/CAE
programy wspomagaj ce działania projektowe na drodze symulacji procesów.
Pionierem w tym drugim obszarze było bez w tpienia odlewnictwo, ze
wspomaganiem projektowania i wytwarzania odlewów. Na pocz tku, ze wskazanych
wy ej ogranicze , w gr wchodziły modele 2D, a nast pnie ju tylko modele bryłowe
(3D). Wykorzystywanie w odlewniach systemów opartych o geometryczne modele
bryłowe nieuchronnie stwarzało w obszarze odlewnictwa warunki do stosowania
przez technologów pełnej wirtualizacji procesu odlewania. Dalszy znacz cy wzrost
mocy obliczeniowej komputerów sprzyjał powstawaniu i proponowaniu w ramach tzw.
up-grade’ów nowych modułów, poszerze systemów z grupy CAE, w których
stopniowo wykorzystywano algorytmy oparte o kolejne modele fizycznych zjawisk
procesów (tzw. modelowanie twarde – hard modelling, opisywane równaniami
ró niczkowymi i modelowanie mi kkie – soft modelling, wykorzystuj ce formuły
empiryczne), co zbli yło do odtworzenia obrazu coraz wi kszej ilo ci zjawisk
towarzysz cych odlewaniu. Zacz to wprowadza coraz bardziej zaawansowane
systemy CAE (kody symulacyjne) ProCAST, QuickCAST, MagmaSOFT,
NovaFlow&Solid, Simtec, Calcosoft, CastCAE, Vulcan i inne, a w nich coraz bardziej
zło one algorytmy rozwi za numerycznych z wykorzystaniem metod FDM (ró nic
sko czonych) lub/i FEM (elementów sko czonych). Dokonywało si stopniowo
przechodzenie od klasycznego „papierowego” projektowania technologii odlewania
do aktualnie znacznie cz ciej realizowanego projektowania technologii odlewania
wspomaganego komputerowo i stało si to obowi zuj cym w odlewnictwie
standardem.
Kody symulacyjne stosowane aktualnie w przemy le odlewniczym s
wykorzystywane przede wszystkim do prognozowania jako ci odlewów, jako ci
wi zanej głównie z lokalizacj
wad typu shrinkage (pustki pochodzenia
skurczowego). Prognozowanie stref nara onych na inne wady odlewnicze (np. erozja
formy, obecno
wtr ce niemetalicznych, stref nara onych na „hot tears”, na
penetracj formy przez ciekły stop) odbywa si na podstawie modeli – formuł
empirycznych, zwanym mi kkimi b d po rednio na podstawie wiedzy u ytkownika i
analizy uzyskanych wyników oblicze symulacyjnych, np. pola szybko ci strugi
metalu we wn ce formy czy te czasowo-temperaturowego obrazu oddziaływa
wzajemnych odlewu i formy. Te działania s podstaw do decyzji odno nie wyboru
optymalnej technologii odlewania, z oczekiwaniem uzyskania ostatecznej wersji
koncepcji akceptowalnej, z uwzgl dnieniem kryterium najlepszej relacji jako /cena
odlewu. Pozwoliło to na wyeliminowanie powszechnie stosowanej od lat klasycznej
11
metody prób i bł dów stosowanej w procesie projektowania technologii odlewania,
realizowanej wył cznie na drodze intuicji in ynierskiej i testów eksperymentalnych
[6]. Natomiast technolog maj cy do dyspozycji system symulacyjny i dysponuj c
wynikami oblicze z zastosowaniem tego narz dzia, podejmuje decyzj na
podstawie ich oceny i na jej podstawie proponuje nast pn wersj po zmianie
technologii/konstrukcji odlewu lub zatwierdza zaprojektowan technologi [3]. Kod
symulacyjny z zało enia powinien umo liwia weryfikacj danej (pierwszej czy
kolejnej) koncepcji technologii i dlatego konieczne jest zaufanie do prognoz jako ci
analizowanych w ramach tzw. post-processingu. Nale y jeszcze raz podkre li tutaj
znaczenie profesjonalnie realizowanej walidacji eksperymentalnej podnosz cej
prawdopodobie stwo celno ci prognozowania i gromadzenia wiedzy na ten temat.
Zwi zki walidacji z wirtualizacj stanowi nieko cz ce si wyzwania i to one
współdecyduj w du ej mierze o sukcesie zastosowania kodu jako narz dzia
wspomagaj cego.
Nawi zuj c do powy szego wywodu, celno
prognoz otrzymywanych
w wyniku symulacji procesu odlewania nale y wi za zarówno z zaawansowaniem
zastosowanych przez kreatorów uproszcze i procedur kodu symulacyjnego jak i od
jego opanowania przez u ytkownika. W zasadzie u ytkownik nie ma wpływu na
zastosowane w kodzie uproszczenia w zwi zku z matematycznym uj ciem modeli
zjawisk fizycznych (w tym sprz onych wzajemnie), ale nie oznacza to jego
zupełnego ubezwłasnowolnienia. Do wiadczony i posiadaj cy wiedz na temat
modelowanych zjawisk u ytkownik mo e skutecznie oddziaływa na jako
i
wiarygodno
wyników symulacji, przez dysponowanie odpowiednim zbiorem
zast pczych współczynników termofizycznych, dopasowanych zarówno do wymaga
formalnych stawianych przez u yte modele, jak i przede wszystkim do uproszcze
w stosunku do rzeczywisto ci układu odlew-forma jakie w kodzie musieli zastosowa
(z ró nych przyczyn) jego twórcy. O niektórych z przyczyn uproszcze b dzie mowa
poni ej.
Bardzo wa ne jest w takim przypadku wła ciwe opanowanie przez
u ytkownika kodu etapu pre-processingu poprzedzaj cego tak zwany mainprocessing, czyli mo liwie najlepiej odpowiadaj ce rzeczywistemu układowi odlewforma sformułowanie modelu, który obok układu stosownych równa
ró niczkowych/ró nicowych zawiera tak e zdefiniowane warunki jednoznaczno ci
(warunki geometryczne, parametry fizyczne układu odlew–forma, warunki
pocz tkowe i brzegowe). Wiarygodno
przeprowadzonej symulacji zale y od
wiarygodno ci tych warunków jednoznaczno ci, co niestety bardzo cz sto
wykonywane jest przez u ytkowników w sposób zbyt „automatyczny” (czyli
korzystaj c z „setup - par default”) odbiegaj cy (z powodu braku pełnej wiedzy i
do wiadczenia u ytkownika) od warunków rzeczywistych układu [6,7,8].
W przypadku definiowania warunków geometrycznych i pocz tkowych ich zbli enie
do rzeczywisto ci układu odlew – forma zazwyczaj nie napotyka na trudno ci.
Inaczej sytuacja wygl da w przypadku parametrów termofizycznych odlewanego
stopu i formy oraz warunków brzegowych, w których mog pojawi si znacz ce
bł dy, cz sto wynikaj ce z braku adekwatnych do stanu faktycznego charakterystyk
materiałowych (termofizycznych) i zastosowanych w modelu uproszcze , a to jak ju
12
stwierdzono w decyduj cy sposób wpływa nast pnie na celno prognoz symulacji.
Odchylenia w tej celno ci prognoz s spowodowane najcz ciej niedopasowaniem
danych materiałowych do warunków produkcji w danej odlewni. Problem czuło ci
modelu na bł dy współczynników został rozwini ty m.in. w pracach [9,10], oraz
w pracach o znacz cym ładunku wiedzy teoretycznej [11,12].
Nale y podkre li , e odlewnicze kody symulacyjne posiadaj własne,
proponowane przez ich twórców, bazy danych. Jednak cz sto umieszczone tam
parametry zostały skopiowane z literatury lub/i w oparciu o wyniki nieautoryzowanych
bada eksperymentalnych, które zostały wykonane w warunkach cz sto nie
odpowiadaj cych warunkom czasowo-temperaturowym rzeczywistego procesu
odlewania (warunkom podlegaj cym dynamicznej zmienno ci z uwagi na
szoku cieplnego). Bywa, e badania te s
wykonywane
niestacjonarno
w warunkach laboratoryjnych na próbkach materiału o znikomo małej obj to ci i
z zastosowaniem metodyki nie odzwierciedlaj cej wystarczaj co procesów
zachodz cych w układzie odlew–forma. Uproszczenia stosowane w u ytych
w kodach symulacyjnych modelach procesów wymagaj , aby w bazach danych
stosowano parametry zast pcze (zwane tak e apparent lub substitutive). Z jednej
strony wpasowuj si one formalnie w zapisy u yte w modelach, a z drugiej strony
powinny by wyznaczane w warunkach najbardziej zbli onych do rzeczywistych
układu odlew–forma. Takim przykładem jest zast pczy współczynnik przewodzenia
ciepła dla materiałów porowatych (dotyczy praktycznie wszystkich materiałów formy,
w wi kszo ci ziarnistych, wi zanych substancjami stałymi i/lub ciekłymi, tworz cymi
mosty spoiwowe).
Twórcy odlewniczych kodów symulacyjnych z zasady (przyj tej zwyczajowo)
nie bior odpowiedzialno ci za jako parametrów znajduj cych si w bazie danych,
jednocze nie sugeruj [13] modyfikacje umieszczonych tam danych materiałowych i
uzupełnianie bazy o parametry materiałów i o warunki brzegowe odpowiadaj ce
materiałowym i asortymentowym warunkom odlewania w danej odlewni.
Podsumowuj c nale y stwierdzi , e wła ciwe wykorzystanie danego
odlewniczego kodu symulacyjnego wymaga wiedzy, odpowiedniego zrozumienia i
uj cia procedur identyfikacji parametrów modelowanych zjawisk cieplnych oraz
odpowiedniego podej cia do ich walidacji.
Tylko efektywne działania walidacyjne decyduj o faktycznej przydatno ci
kodu symulacyjnego do optymalizowania koncepcji technologii odlewania. Pierwszy
etap walidacji powinien zawsze obejmowa
dostosowanie wła ciwo ci
termofizycznych i warunków brzegowych zawartych w bazie danych kodu
symulacyjnego do warunków rzeczywistych układu odlew–forma, polegaj ce na
przeprowadzeniu eksperymentów opartych o analiz termiczn układu w czasie
rzeczywistym trwania procesu. Ten rodzaj walidacji nazywany walidacj
energetyczn [3] powinien prowadzi do korekt baz danych dokonywanych za
pomoc metod rozwi zywania zagadnie odwrotnych.
Zagadnienie korekcyjnych modyfikacji baz danych materiałowych ka dego
konkretnego kodu symulacyjnego wprowadzanego do odlewni pozostaje w dalszym
ci gu jednym z najwa niejszych warunków pełnego wykorzystanie odlewniczych
13
kodów symulacyjnych. Do wiadczenia zespołu Laboratorium CAD/CAE Technologii
Materiałowych PP, tak e z wyeksponowaniem mojego wkładu, stanowi
potwierdzenie słuszno ci tego kierunku upowszechniania zasad efektywnego
stosowania kodów symulacyjnych w praktyce.
2.2.
Problem jednorodno ci materiałów pochodzenia ceramicznego
stosowanych na piaskowe formy odlewnicze jako ciał porowatych
Na wst pie nale y podkre li , e zagadnienia zwi zane z form odlewnicz
b d tutaj rozpatrywane w aspekcie roli jak spełnia ona w wirtualnym układzie
odlew-forma. Podkre li nale y, e forma jednorazowa stanowi c jednocze nie
narz dzie kształtuj ce ciekły stop i narz dzie przejmuj ce z niego ciepło
akumulacyjne i utajone ciepło krystalizacji jest z jednej strony wa nym elementem
technologii odlewania. Odbywa si to w warunkach silnego, wysokotemperaturowego
szoku cieplnego i zło onych zjawisk chemo- i termofizycznych.
Z drugiej jednak strony, bior c pod uwag wspomniane ju uwarunkowania i
mo liwo ci modelowania zjawisk w formie, powierza si jej praktycznie rol
odbiornika ciepła i jako takiemu nale y przypisa podstawowe parametry
termofizyczne , c i
, a jedynie dla materiałów specjalnych np. otulin
egzotermicznych dodatkowo nale y poda parametry wewn trznych ródeł ciepła
(temperatur inicjacji reakcji, czas reakcji egzo i warto ciepła reakcji). W pewnych
warunkach wa ne jest tak e podanie parametrów oporów cieplnych w układzie
odlew-forma (współczynnika wymiany ciepła). W tej sytuacji poza wymienionymi
parametrami w obliczeniach symulacyjnych nie s potrzebne inne parametry
charakteryzuj ce porowaty materiał formy.
Wiadomo jednak, e forma w swej przestrzennej strukturze zawiera składniki o
ró nej trwało ci termicznej, a w dodatku stan tej struktury ulega zmianom z czasem
nagrzewania, co przekłada si na zmienno
zast pczych parametrów masy
wymienionych wy ej w funkcji temperatury i w funkcji czasu.
B d c bogatszym o t
wiadomo
mo na odnie
si
do poj cia
jednorodno ci formy. Pocz tkowe parametry (w temperaturze otoczenia) po ich
odpowiednim u rednieniu jako materiału jednorodnego – odpowiadaj wtedy
hipotetycznemu o rodkowi jednorodnemu. W praktyce oznacza to zało enie o tzw.
makrojednorodno ci o rodka, czyli e z punktu widzenia oblicze in ynierskich
o rodek taki mo e by traktowany jako jednorodny (w publikacjach spotyka si inne
okre lenie w zwi zku z tym zało eniem, a mianowicie – homogenizacja materiału).
Zmienno parametrów formy po zalaniu formy stopem wynika ze wspomnianej
powy ej zmienno ci cech materiału z temperatur i czasem, i tylko w tym uj ciu
mo na mówi o post puj cej niejednorodno ci tego o rodka, pocz tkowo uznanego
pod wzgl dem pełnienia funkcji odbiornika ciepła za jednorodny.
Podsumowuj c, forma odlewnicza wykonana z masy formierskiej (czyli
materiału porowatego) pełni funkcj specyficznego jednorazowego narz dzia
technologicznego, które oprócz kształtowania odlewu musi by odbiornikiem ciepła.
W tym ostatnim sensie ostateczna posta opisuj cego te zjawiska modelu
matematycznego jest rzecz drugorz dn (model prosty czy sprz ony, bardziej czy
mniej uproszczony). Najistotniejsze jest, aby za jego pomoc oszacowa z zało on
14
dokładno ci stan rzeczywisty przebiegu wymiany ciepła (strumie przekazywany
formie, pola temperatury). Tak wi c, je eli fizyczny obraz zjawisk w formie jest istotny
tylko w zakresie jego energetycznego oddziaływania na odlew, to ciało porowate
mo na traktowa jako quasi-jednorodne i wówczas formułuje si jedno równanie
przewodzenia ciepła, w którym zast pcze charakterystyki cieplne odzwierciedlaj
wszystkie
towarzysz ce
przepływowi
ciepła
zjawiska
(przewodzenie,
promieniowanie, konwekcj , a tak e ruch masy fizycznej). Dlatego w wi kszo ci
prac, w tym tak e w pierwszych licz cych si w dziedzinie rozwa a teoretycznych i
bada termofizycznych wła ciwo ci mas formierskich, współczynnik przewodno ci
cieplnej jest okre lony mianem pozorny (apparent, substitutive), zast pczy lub
efektywny [14,15].
2.3. Szczególne uwarunkowania modelowania procesów odlewania
Bior c pod uwag sekwencje etapów powstawania odlewu i mo liwo ci
sterowania jego jako ci , najwcze niej w teorii i praktyce zagadnie metalurgicznoodlewniczych rozwijane było modelowanie zjawisk zachodz cych podczas
krzepni cia odlewu. To modelowanie zwi zane głównie z generowaniem i
przepływem ciepła, opiera si o model energetyczny ujmuj cy cieplne zjawiska
w układzie odlew – forma. Wymaga si odpowiedniej, profesjonalnej identyfikacji
parametrów termofizycznych jako wielko ci wej ciowych (dotycz cych odlewu, formy
i otoczenia), które s konieczne w takich symulacjach (składowa warunków
jednoznaczno ci). Podstaw energetycznego modelu procesu krzepni cia odlewu
w formie jest równanie opisuj ce przepływ ciepła – równanie Fouriera – Kirchhoffa
[16], w swej rozwini tej postaci, z uwzgl dnieniem ródeł i upustów ciepła.
W kolejnych latach w miar post pu mikroelektroniki (jej zastosowa
w sprz cie komputerowym) powstawały efektywne modele matematyczno–fizyczne i
kody symulacyjne zawieraj ce moduły umo liwiaj ce symulacj wypełniania wn ki
formy (podstawowy model jest oparty o równanie Naviera–Stokesa). Inne moduły
jakie powstały to na przykład zawieraj ce model uwzgl dniaj cy dyfuzj składników
stopowych (równania Ficka) [16,17] lub te
procesy termomechaniczne
umo liwiaj ce modelowanie napr e w układzie odlew-forma za pomoc równa
konstytutywnych [18,19]. W ka dej z tych odsłon modelowania wykorzystywano
sprz enia z procesem przepływu i wymiany ciepła. Sprz enie z modelem cieplnym
jest konieczne ze wzgl du na poprawno interpretacyjn zjawisk oraz jego wiod c
rol w wymuszaniu ich sekwencji w ka dym indywidualnie wydzielonym procesie
zachodz cym w układzie odlew–forma.
Mo na stwierdzi , e podstawowym celem modelowania krzepni cia odlewów
jest wirtualne wygenerowanie opisu (w czasie i przestrzeni) ruchu powierzchni
rozdziału pomi dzy faz stał i ciekł [20,21]. Opisuj c stan tej powierzchni,
charakteryzuj cej si
ró nym rozwini ciem (zwanym morfologi
frontu
krzepni cia/krystalizacji) i uwzgl dniaj c ró ne skale wymiarowe siatki
dyskretyzacyjnej, mo na przybli y
zjawiska zwi zane z mechanizmami
powstawania poszczególnych faz składaj cych si na struktur odlewu, zakładaj c z
góry stopie uproszczenia zjawisk. Historycznie rzecz ujmuj c, Rappaz [22]
wyszczególnia dyskretyzacyjne skale modelowania formalnie dziel c je na cztery
15
grupy, odnosz ce si do czterech generacji kodów symulacyjnych (modelowania),
ujmuj cych zagadnienia krystalizacji i krzepni cia odlewów, a mianowicie: skale
makro, mezo, mikro i nano. W pracach [23-25] proponuje si trzy inne kryteria
podziału skal modelowania. Niestety wi kszo opisywanych modeli wchodz cych
do rodziny tzw. Multiphysics [26] w aspekcie mechanizmów kreowania i
prognozowania struktury, odnosi si do geometrycznie lokalnego modelowania
zjawisk, tj. dla bardzo małych, wydzielonych obszarów, bez ich odniesienia do całego
odlewu [27,28]. Generowany jest na przykład wzrost wył cznie pojedynczych
kryształów równoosiowych lub co najwy ej grupy kilku kryształów (dendrytów),
najcz ciej w uj ciu 2D, wyrwany z kontekstu warunków rzeczywistych [29]. Nie
mo e to zatem mie oczekiwanego przez praktyków przeło enia aplikacyjnego nawet
dla wlewków o prostym kształcie, a co dopiero odlewów o bardziej zło onych
kształtach i wi kszych rozmiarach.
Te zagadnienia modelowania powstawania struktury krystalicznej zaliczaj si
do skrajnie zło onych. Rzeczywiste granice faz składaj cych si na struktur odlewu,
nawet w warunkach intensywnego chłodzenia (wi ksza ilo zarodków krystalizacji i
mniejsze ziarna), nie s łatwe do identyfikacji, zwłaszcza kiedy ma si do czynienia
ze stopami, w których powstaje wi cej ni jedna faza, a fazy niskotopliwe i
zanieczyszczenia nie zawsze wskazuj wyra nie na lokalizacj granic faz (ziaren).
Dodatkowo, bazuj c na wykresach równowagowych krzepni cia poszczególnych
stopów, prognozy co do rodzaju i liczby faz musz podlega specyficznej interpretacji
faz spodziewanych, zwłaszcza z powodu odbiegaj cych od równowagi
termodynamicznej warunków krystalizacji. Dotyczy to równie niedoskonało ci
struktur w skali mikro i makro (a wi c pocz wszy od makro i mikroporowato ci
skurczowych, tak e innego typu przerw ci gło ci, obecno ci faz zdegenerowanych,
faz powstałych na skutek makro/mikrosegregacji, rozmieszczenia wtr ce
niemetalicznych, do wakansów i dyslokacji sieci krystalograficznej wł cznie). Ich
powstawanie jest niezwykle trudne do uj cia w tzw. twardym modelowaniu (hard
modeling) zjawisk. St d konieczno
korzystania z wiedzy empirycznej czyli tzw.
modelowania mi kkiego (soft modeling), odpowiednio przystaj cej do fizyki
matematycznej i teoretycznej wiedzy z zakresu podstaw modelowania twardego.
Wiedz o mo liwo ciach celowego i sterowanego zró nicowania zjawisk mikro/makro
w odlewie nale y umiej tnie powi za pocz wszy od etapu projektowania konstrukcji
wyrobu odlewanego, przez etap projektu technologii i jej optymalizacji na drodze
wirtualnego prognozowania jako ci a do kontroli jako ci gotowych odlewów
metodami NDT (nondestructive testing – metody bada nieniszcz cych). Istnieje
formalna mo liwo prognozowania struktury za pomoc systemów symulacyjnych
na drodze umiej tnie sprz onego modelowania twardego i mi kkiego pokazana np.
w [30]. Modele twarde (tj. takie, które jak to powiedziano wy ej oparte s na prawach
fizycznych i opisuj cych je równaniach ró niczkowych) nie umo liwiaj w miar
pełnego uj cia tak zło onego procesu jakim jest krystalizacja/krzepni cie odlewu w
formie, bez istotnych, fundamentalnych uproszcze . Dlatego nale y nadal
poszukiwa efektywnych rozwi za w obszarze modelowania z obszaru Multiscale i
Multiphysics [31]. Podej cia te pokazuj jak mo na uj zagadnienia jednoczesnego
modelowania
kilku
zjawisk
fizycznych
w ramach
modeli
sprz onych
16
z uwzgl dnieniem przemiennego stosowania skali podziału dyskretnego (makromikro). Celem jest oczywi cie próba zbli enia si
do kompleksowego
odzwierciedlenia procesu rzeczywistego. Stawia to jednak nowe zadania
walidacyjne, które musz by podejmowane równolegle z kreowaniem modeli
przewidzianych do sprz enia, nie mówi c o dysponowaniu (lub wyznaczeniu)
dodatkowych parametrów „obsługuj cych” te nowe modele (o innym stopniu
uproszczenia, a wi c parametry, które te uproszczenie równie uwzgl dniaj ).
Wydaje si , e wł czenie modeli mi kkich do kodów symulacyjnych powinno by
kontynuowane i rozwijane, aby problem modelowania „multiscale” znalazł
rozwi zania przydatne w praktyce odlewniczej. Tak e w [32] pokazano szereg
interesuj cych uogólniaj cych propozycji dotycz cych tych zagadnie .
2.4. Problematyka efektywnego definiowania i wprowadzania warunków
jednoznaczno ci w zagadnieniach modelowania zjawisk w układzie
odlew–forma
Jak ju
wspomniano w podrozdziale 2.1, dobrze przygotowany do
przeprowadzenia wirtualizacji procesu symulacji model zawiera układ równa
ró niczkowych przeznaczonych do rozwi za metod ró nic sko czonych FDM lub
elementów sko czonych FEM, musi zawiera tak e odpowiednio zdefiniowane
warunki jednoznaczno ci (warunki geometryczne, parametry fizyczne układu odlew–
forma, warunki pocz tkowe i brzegowe). Wiarygodno wyników symulacji zale y od
wiarygodno ci tych warunków jednoznaczno ci i ten temat wymaga szerszego
komentarza.
Przypomnie trzeba, e od etapu opracowania podstaw i zało e do
modelowania a po uzyskanie wiarygodnych wyników (chodzi o wiadomo wpływu
warunków jednoznaczno ci na margines bł du wnioskowania), nale y podejmowa
szereg odpowiedzialnych decyzji zwi zanych z definiowaniem i wprowadzaniem
warunków jednoznaczno ci. Wymagana jest niezmiennie synergia wiedzy, której
przydatno jest istotna na ka dym etapie, w tym mi dzy innymi na etapie kreowania
i uzupełniania baz danych materiałowych (parametry fizyczne układu odlew–forma)
[3,7,33].
Prawidłowo opracowane warunki geometryczne w sposób jednoznaczny
powinny umo liwia pełn identyfikacj geometrii (kształt i wymiary) poszczególnych
elementów układu odlew-forma wg technologicznej koncepcji odlewania (odlew
z układem wlewowym i z nadlewami, otuliny, ochładzalniki). Taki plik geometrii 3D
jest opracowywany za pomoc jednego z systemów nale cych do grupy CAD (np.
Siemens NX, Solid Works, Catia i inne). Systemy CAD, umo liwiaj wygenerowanie
plików w wybranych formatach np. STL, IGS, STP lub w innym formacie
akceptowanym przez interfejs kodu symulacyjnego, co jest równoznaczne
z mo liwo ci udanego transferu. Mog przy tym jednak wyst pi problemy
uniemo liwiaj ce taki transfer, a wynikaj ce z operacyjnych szczegółów
przygotowania geometrii CAD. Przykładem takich szczególnych wymaga odno nie
warunków transferu był kod QuikCast [34], który wymagał przesłania całej geometrii
układu (ł cznie z form ) w jednym pliku STL. Niestety wi kszo programów CAD
nie ma takiej mo liwo ci, a opcja ta dost pna jest dost pna tylko w nielicznych m.in.
17
w I-deas NX. Trzeba doda równie , e pewna grupa systemów CAD nie ma
mo liwo ci równoczesnego eksportowania wielu powtarzalnych elementów formy, co
jest du ym utrudnieniem w przypadku formy np. z du a ilo ci ochładzalników –
maksymalnie kilkaset dla odlewów wielkogabarytowych (m.in. dotyczyło to systemu
TopSolid [35]).
Problem mo e stanowi tak e wymiana geometrii (modelu bryłowego wyrobu
– element konstrukcyjny) miedzy systemami CAD, u ywanymi przez klienta
(konstruktora) i odlewni (opracowuj koncepcj odlewania). „Graficzna” wymiana
informacji mi dzy kooperuj cymi przedsi biorstwami, jak te integracja mi dzy
ró nymi systemami komputerowymi, jest jednym z głównych problemów
odczuwalnych (nie zawsze wła ciwie interpretowanych) we współczesnej bran y
in ynierskiej stosuj cej elektroniczny zapis konstrukcji. Prawidłowa konwersja
danych kompletnej dokumentacji składaj cej si mi dzy innymi z modeli cz ci,
z chronologi ich tworzenia w CAD czyli zapisu struktury zło enia zespołu cz ci
z rodzajami ł cz cych je relacji, a tak e dokumentacji 2D, jest procesem trudnym i
zło onym, traktowanym do
indywidualnie przez poszczególnych twórców
systemów CAD. Wobec, powy szego integracja systemów mo e odbywa si na
ró ne sposoby. Najprostsz metod jest wprowadzenie efektywnych translatorów
danych współrz dno ciowych (producenci CAD i pakietów obliczeniowych oferuj
programy do bezpo redniej konwersji danych). Ponadto integracja systemów CAD i
CAD/CAE jest mo liwa przez znormalizowane interfejsy, neutralne czyli uniwersalne
aplikacyjnie wobec ró nych systemów (co jest wykorzystywane powszechnie
w przypadku odlewniczych kodów symulacyjnych).
Niebezpieczn w zagadnieniach modelowania, a mog c wyst pi podczas
transferu geometrii pomi dzy systemami CAD przy zastosowaniu modelu
kraw dziowego 3D (tzw. drutowego) jest mo liwo wyst pienia bł dów w postaci
szczelin i wolnych kraw dzi. Bł dy te mo na co prawda naprawia przy pomocy
specjalnych narz dzi, w ograniczony jednak sposób. Najprostsz metod naprawy
geometrii 3D w przypadku braku „szczelno ci” powłoki bryły jest arbitralne (do
pewnych dopuszczalnych granic) zwi kszenie granicy tolerancji superpozycji w złów
konstrukcyjnych. Oznacza to, e je eli dwie kraw dzie lub dwa wierzchołki znajd si
w odległo ci mniejszej ni zakres tolerancji zostan zinterpretowane jako jeden
obiekt (punkt, kraw d ). Je eli po zastosowaniu tej metody pozostan jeszcze
szczeliny do naprawy geometrii mo na zastosowa inne narz dzia powalaj ce na
„pospawanie” wolnych elementów, a polega ono na tworzeniu nowych
„uszczelniaj cych” mini-powierzchni tworzonych na bazie tych wolnych kraw dzi.
Wyst powanie szczelin i wolnych kraw dzi uniemo liwia import geometrii do
kodu symulacyjnego, co wstrzymuje dalsz procedur stosowania kodu.
Bł dy mog te wyst pi podczas transferu geometrii do kodu symulacyjnego
przy u yciu modelu powierzchniowego 3D, np. w formacie STL. Cz stym bł dem jest
powstanie szczeliny z powodu bł dnego wygenerowania współrz dnych jednego
z wierzchołków trójk tów, przy pomocy których wyznaczona jest cała geometria
(bryła opisana jest przez zamykaj ce si powierzchnie zewn trzne). Bł dy te mo na
korygowa przy pomocy specjalnie w tym celu tworzonych programów.
18
Kolejnym elementem na który nale y zwróci uwag jest powierzchnia
kontaktu pomi dzy poszczególnymi elementami (obiektami). Wszystkie elementy
nale y dobrze dopasowa na etapie tworzenia geometrii w systemie CAD,
pó niejsza korekta powierzchni styku w kodzie symulacyjnym jest niemo liwa lub
bardzo czasochłonna, za pozostawienie tego problemu bez jego kontroli mo e
spowodowa wprowadzenie sztucznych (zakłócaj cych) oporów cieplnych na
powierzchniach styku poszczególnych elementów formy z odlewem.
Podsumowuj c, niezwykle wa nym zagadnieniem warunkuj cym prawidłowe
przej cie pliku geometrii układu odlew-forma przez stosowny moduł preprocessingu
kodu symulacyjnego jest opanowanie szczegółów transferu geometrii, co jest
zwi zane ze specyfik poszczególnych kodów.
Efektywna eksploatacja systemu symulacyjnego wymaga identyfikacji i
znajomo ci dostosowanych do rzeczywisto ci parametrów fizycznych (cieplnych)
układu odlew – forma. Brak mo liwie pełnej identyfikacji tych wielko ci, u ytych
w zale no ciach modeluj cych, jest przyczyn ograniczaj c rozwój i zakres
stosowania modeli opisuj cych krzepni cie odlewów [3,6,8,36] – który czasami
przeobra a si
w negatywny stosunek odlewni do przydatno ci kodów
symulacyjnych, z powodu nietrafionych prognoz jako ci odlewu.
Dla u ytkowników kodów symulacyjnych pierwszym
ródłem pozyskiwania
danych termofizycznych formalnie potrzebnych do oblicze symulacyjnych, s
zestawienia współczynników w poradnikach i podr cznikach [37-50]. Stosuj c je
u ytkownicy powinni pami ta , e współczynniki jako wyniki bada prezentowane
w tych ródłach zostały wyznaczone w warunkach cz sto nie odpowiadaj cych
warunkom czasowo-temperaturowym rzeczywistego procesu odlewania (nie
wchodz c w szczegóły co do stopu i rodzaju formy). Nale y wi c zwraca
szczególn uwag na przydatno danych stosowanych do oblicze symulacyjnych i
szuka metod ich kompletowania i weryfikacji.
Podsumowuj c, w celu oszacowania jako ci dost pnych baz danych
termofizycznych, nale y wzi
pod uwag cel jakiemu maj one słu y , a zatem
nale y uwzgl dni nast puj ce kwestie:
• ródło i warunki wyznaczania współczynników termofizycznych:
dokładno ich oznaczania (je eli jest to mo liwe), porównanie z czasem i
zakresem temperatur charakterystycznych dla konkretnych warunków
procesu odlewania,
• kryteria i wybór najlepszego (wg wiedzy u ytkownika lub/i konsultanta
odlewni) zestawu danych do rozwi zania problemu,
• wra liwo
wyników symulacji (niepewno ci) – ocenian na sposób
statyczny i dynamiczny – na rozrzut warto ci współczynników (wywołany
bł dami), co jest mo liwe do zidentyfikowania przez u ytkownika na
drodze testów symulacyjnych [9,10,13,14],
Jak wynika z prac Laboratorium CAD/CAE Technologii Materiałów PP, co
potwierdzone jest w pracach innych o rodków [3,6,8,36,51-54], najbardziej
rozpowszechnione w wiecie odlewniczym kody symulacyjne nie przywi zywały
nale ytej wagi do niektórych termofizycznych danych materiałowych i ich
prawidłowego wykorzystania w komputerowej symulacji procesu odlewania, co
19
wynika z kilku konkretnych przyczyn. Sugerowano przy tym w podr cznikowych
zaleceniach zawartych w tzw. help’ach stosunkowo uproszczone podej cie. Problem
ten pozostaje aktualny i nadal jest postulowany do rozwi zania przez u ytkowników,
poszukuj cych doskonalenia efektów stosowania kodów symulacyjnych. Ró nice
w symulowanych czasach krzepni cia odlewów w porównaniu z eksperymentem
si gaj
rednio 50% dla form piaskowych jednorodnych a niekiedy w przeszło ci
skrajnie do 1000% [10,55], dla form zawieraj cych materiały specjalne (otuliny
izolacyjno–egzotermiczne, ochładzalniki, systemy wymuszonego ochładzania).
Konsekwencj tego była w tpliwa jako prognoz na podstawie wyników symulacji
krzepni cia odlewów szczególnie w zakresie oceny np. skuteczno ci ich zasilania
(odtworzenie „ cie ki” zasilania). Oznacza to, e kod symulacyjny nie został poddany
efektywnym procedurom walidacyjnymi i jest niewystarczaj co wiarygodny, co
prowadzi w rezultacie do niepewnych prognoz jako ci odlewu. Mo na oczywi cie
bagatelizowa problem, odnosz c go do konkretnego przypadku odlewu próbnego i
dobra parametry baz danych z zachowaniem relatywnie zadowalaj cej zgodno ci
np. czasów krzepni cia, czy te poło enia wad skurczowych w tym odlewie. Problem
jednak polega na tym, aby ten zestaw parametrów dopasowywanych w wyniku
rozwi zania zagadnienia odwrotnego, przystawał wymiarowo i kształtowo w sensie
walidacyjnym do innych odlewów, co wymaga zawsze szczegółowych analiz.
Problem brakuj cych lub niewiarygodnych współczynników w bazach danych
istotny przy modelowaniu procesów dotyczy nie tylko modeli twardych (opartych o
równania ró niczkowe procesów elementarnych: przepływy płynów, i ciepła, dyfuzja,
oddziaływania mechaniczne – stress), ale równie ma miejsce w wypadku
stosowania modeli mi kkich (równania empiryczne m.in. modelowanie zarodkowania
i wzrostu ziaren, zasilania i powstawania wad skurczowych, lokalnych struktur i ich
wła ciwo ci mechanicznych,
przemieszcze
dylatacyjnych).
Obie
grupy
współczynników musz zaistnie w swoistej symbiozie. Na temat tych zwi zków
pisano w opracowaniach w zwi zku z wykonywanym w latach 2006 – 2008
projektem zamawianym koordynowanym przez Instytut Odlewnictwa w Krakowie.
Z dwóch pozostałych warunków jednoznaczno ci, warunki pocz tkowe s
relatywnie łatwiejsze do zidentyfikowania i zdefiniowania, szczególnie, kiedy
wirtualizacja procesu odlewania obejmuje etap zalewania (wtedy wystarczy poda
temperatur strugi metalu wprowadzanego do układu wlewowego). Ostatni z
warunków – warunek brzegowy, a wła ciwie warunki brzegowe – gdy powinny by
one odniesione do ka dej pary kontaktuj cych si elementów układu odlew-forma –
powinny by rozwa ane w aspekcie istotno ci wpływu oporu cieplnego na
powierzchniach kontrolnych (problem zmiennej w czasie szczeliny skurczowej) na
osłabienie strumienia ciepła w stosunku do oporów cieplnych warstw przylegaj cych
do obu kontaktuj cych si powierzchni i wynikaj cych z ich termofizycznych
parametrów materiałowych. I tak na przykład prawidłowo oszacowana warto oporu
cieplnego jest o wiele bardziej istotna i konieczna do sprecyzowania dla kontaktu
odlew- forma metalowa ni dla kontaktu odlew-forma piaskowa.
20
3. Cel naukowy
Główny cel naukowy, osadzony w historii zespołu i moich realizowanych w nim
zadaniach, rozwijał si w miar powstawania nowych wyzwa i innowacyjnych
mo liwo ci metodycznych i sprz towych.
Jednotematyczny zbiór publikacji [B1-B14] jaki powstał, nawi zuje do tego
celu i obejmuje opracowanie eksperymentalno–symulacyjnych metod wyznaczania
parametrów termofizycznych i termomechanicznych dla materiałów o pochodzeniu
w wi kszo ci ceramicznym, słu cych do wykonania jednorazowych form
odlewniczych. S to materiały ziarniste zagregowane za pomoc materiałów
wi
cych (spoiw), najcz ciej materiały porowate o relatywnie niskiej stabilno ci
termicznej w odniesieniu do termofizycznych parametrów stopów stosowanych na
odlewy wykonywane w tych formach. Metody te pozwalaj na pozyskanie
brakuj cych danych materiałowych przez przeprowadzenie odpowiednio
przygotowanego pod wzgl dem operacyjnym i pomiarowym eksperymentu
odlewania (lub nagrzewania za pomoc innego ródła ciepła) oraz przygotowanie i
wykonanie oblicze symulacyjnych (rozwi zanie zagadnienia odwrotnego). I to
wyzwanie uto samia nale y z celem naukowym koresponduj cym z obszarami
bada
podstawowych jak i stosowanych. Takie powi zanie eksperymentu
w warunkach rzeczywistych procesu z eksperymentem wirtualnym realizowane przez
tych samych specjalistów, z zachowaniem mo liwie najwy szych standardów, jest
spotykane w wiatowych laboratoriach o najwy szej renomie. Wynika to z kontaktów
zespołu z takimi o rodkami.
Przedstawiony w nast pnym podrozdziale szczegółowy opis osi gni
jednotematycznego cyklu publikacji [B1-B14] został podzielony na dwie cz ci.
W pierwszej cz ci wyeksponowano eksperymentalne badania walidacyjne
on-line dotycz ce głównie modeli „twardych” (walidacj on-line nazwano pomiary
dokonywane w czasie rzeczywistym, w którym odbywa si proces). Obj ły one
testowanie materiałów formy (w tym materiałów na rdzenie) stosowanych
w procesach odlewania do form jednorazowych i form trwałych (walidacja
energetyczna i temperaturowa). Opieraj c si
nast pnie o odpowiednio
spreparowane modele zjawisk cieplnych czyli z uwzgl dnieniem niezb dnych
uproszcze [B3] badano wła ciwo ci termofizyczne:
• wytypowanych mas formierskich i rdzeniowych,
• wytypowanych materiałów izolacyjnych i izolacyjno – egzotermicznych,
• zwi zane z powstawaniem ilo ciowo istotnego oporu cieplnego
w przypadku zło onych warunków termomechanicznych oddziaływania
mi dzy form trwał i odlewem
oraz wła ciwo ci termomechaniczne wytypowanych mas formierskich i rdzeniowych.
U ci laj c, w wyniku przeprowadzonych bada eksperymentalnych i ich
powi zaniu z badaniami symulacyjnymi wyznaczono:
zast pcze współczynniki termofizyczne otulin izolacyjno – egzotermicznych
oraz zasypek egzotermicznych stosowanych na nadlewy: λ [W/(m⋅K)], c⋅ρ
[J/(m3K)] oraz parametry reakcji egzotermicznej: ciepło reakcji Qexo[kJ/kg],
czas reakcji egzotermicznej t i temperatur zapłonu Tz,
21
zast pczy współczynnik wymiany ciepła α [W/(m2K)] mi dzy: wiruj c form
trwał (odlewanie od rodkowe) i odlewem oraz mi dzy wiruj c form trwał i
otoczeniem (w obecno ci natrysku wodnego),
zast pcze współczynniki termofizyczne mas formierskich z dodatkiem
mikroochładzalników jako dodatkowego składnika masy: λ, c⋅ρ⋅,
zast pcze współczynniki termofizyczne masy formierskiej z uwzgl dnieniem
wpływu dynamiki nagrzewania (w zale no ci od grubo ci cianki odlewu),
zast pcze współczynniki termofizyczne wilgotnych mas formierskich,
w których uwzgl dniono wyst powanie strefy przewil onej,
zast pcze współczynniki termomechaniczne mas formierskich i rdzeniowych:
Esub = E(T) [Pa] (zast pczy moduł spr ysto ci), sub= (T)[1/K] (zast pczy
współczynnik rozszerzalno ci cieplnej) oraz zało one jako stałowarto ciowe:
granic plastyczno ci ys [Pa] i izotropowy moduł wynikaj cy z umocnienia
materiału (hardening tangent modulus) – ETISO [Pa].
W drugiej cz ci jednotematycznego cyklu publikacji opisano eksperymentalne
badania walidacyjne off-line (badania off-line maj miejsce po zako czeniu procesu
odlewania i obejmuj
badania wybranych cech struktury/jako ci odlewów)
realizowane w celu optymalnego wykorzystania modeli mi kkich stosowanych
w odlewniczych kodach symulacyjnych. W powi zaniu z wcze niejsz walidacj
modeli twardych (walidacja energetyczna i temperaturowa) badano czuło kodów
symulacyjnych na zmienno
parametrów wchodz cych do empirycznych formuł
modeli „mi kkich” (jak wiadomo – opieraj si na uproszczonych formułach
nawi zuj cych do zasad modelowania w fizyce eksperymentalnej). Analizowano
mi dzy innymi wpływ wyznaczanych parametrów na wyst powanie porowato ci
pochodzenia skurczowego oraz gazowego w odlewach ze stopu Al-Si i odlewach
eliwnych. Przeprowadzono tak e badania walidacyjne kodu z grupy Multiphysics,
który umo liwia symulacj powstawania mikrostruktury w odlewach ze stopu Al-Si,
kodu, w którym mechanizmy zarodkowania i krystalizacji oparto o modele mi kkie
bazuj ce na formułach Oldfielda i Rappaza [30].
W wyniku przeprowadzonych bada stopniowo uzupełniano bazy danych w
kodach symulacyjnych stosowanych w Laboratorium CAD/CAE Technologii
Materiałów PP i w odlewniach współpracuj cych.
4. Najwa niejsze osi gni cia naukowe zawarte w pracach stanowi cych
jednotematyczne uj cie problematyki dotycz cej baz danych w zagadnieniach
modelowania i wirtualizacji procesów odlewania
Charakterystyka osi gni cia naukowego
Osi gni ciem naukowym jest opracowanie eksperymentalno–symulacyjnych
metod wyznaczania parametrów termofizycznych i termomechanicznych
ceramicznych materiałów porowatych o relatywnie niskiej stabilno ci termicznej
(stosowanych do wykonywania form odlewniczych) w odniesieniu do parametrów
stopów stosowanych na odlewy. Wyznaczone w wyniku bada symulacyjnych
współczynniki termofizyczne i termomechaniczne s stosowane do uzupełniania baz
22
danych w systemach symulacyjnych ProCAST, NovaFlow&Solid, Calcosoft,
Magmasoft, COMSOL Multiphysics, ANSYS.
Opracowane metody pozwalaj
pozyskiwa
brakuj ce dane przez
przeprowadzenie odpowiednio przygotowanego pod wzgl dem pomiarowym
eksperymentu odlewania lub nagrzewania za pomoc innego ródła ciepła i
wykonanie oblicze symulacyjnych (rozwi zanie zagadnienia odwrotnego za pomoc
procedury Trials&Errors). Badania obj ły zjawiska w układzie odlew-forma,
z udziałem grupy materiałów formy wymienionych powy ej, stosowanych
w procesach odlewania do form jednorazowych i form trwałych oraz wybrane warunki
brzegowe.
Eksperymenty odlewania przeprowadzano w okresie kilkunastu lat,
w zdecydowanej wi kszo ci w warunkach przemysłowych, w odlewniach
(w przybli eniu, w chronologicznej kolejno ci realizacji prób):
• Groupe Metallurgique CIF Ferry-Capitain (Francja),
• Odlewnia eliwa rem,
• Odlewnia Mahle Krotoszyn,
• Odlewnia VW Pozna ,
• Odlewnia Ferrex Pozna ,
• Odlewnia Roda de Ter (Hiszpania),
oraz w Laboratorium CAD/CAE Technologii Materiałowych ITMat.
Badano wła ciwo ci termofizyczne mas formierskich, mas rdzeniowych i
materiałów izolacyjno – egzotermicznych oraz wła ciwo ci termomechaniczne mas
formierskich i rdzeniowych. Badano tak e wpływ oporu cieplnego jaki generuje si
w zło onych warunkach termomechanicznego kontaktu mi dzy form trwał i
odlewem w procesie odlewania od rodkowego.
Badania symulacyjne przeprowadzono wybiórczo przy pomocy kodów
symulacyjnych ProCAST, NovaFlow&Solid, Calcosoft, COMSOL Multiphysics,
ANSYS (własne procedury rozwi zania zagadnie odwrotnych przepływu ciepła).
Badania walidacyjne on-line
W pierwszej cz ci zestawienia najwa niejszych osi gni
naukowych
zaprezentowane zostan badania walidacyjne materiałów stosowanych na formy
(stosowane w procesach odlewania do form jednorazowych i do form trwałych jako
rdzenie piaskowe) oraz współczynników wymiany ciepła w technologiach odlewania
do form trwałych, na przykładzie odlewania od rodkowego (do form wiruj cych).
Parametry termofizyczne materiałów izolacyjno – egzotermicznych
Materiały słu ce do cieplnego usprawniania zasilaj cego działania nadlewów
(otuliny i zasypki do nadlewów) to szczególna grupa materiałów do budowy tych
fragmentów formy. Materiały takie, ze wzgl du na natur i składniki wywołuj ce
okre lone skutki cieplne spowalniaj ce oddawanie ciepła przez nadlew, podlegaj
silnym niestacjonarnym przemianom fizykochemicznym pod wpływem wysokiej
temperatury. Materiały te nagrzewane w pierwszym stadium przez ciekły metal (szok
cieplny), w dalszym etapie jednocze nie ograniczaj straty ciepła do otoczenia
23
(formy piaskowej lub kokilowej). Te tzw. otuliny pełni sw istotn rol przez
pocz tkowy okres czasu krzepni cia, od zalania odlewu, zwany okresem zasilania.
W tym okresie zaawansowania procesu krzepni cia układu nadlew/odlew, ułamek
fazy ciekłej malej cy z czasem powinien umo liwia kompensowanie skurczu
zachodz cego w poszczególnych rejonach odlewu. Długo tego okresu musi by
skorelowana z proporcjami obj to ciowymi układu nadlew/odlew. Ma to bezpo redni
zwi zek z intensywno ci sprz onych zjawisk, przy czym ewentualna obecno
egzotermicznych składników w otulinie „wspomaga” jej skuteczno
izolacyjn
(zale y to od rodzaju otuliny i jej producenta).
Parametry cytowane przez producentów tych materiałów s ograniczane
najcz ciej do postaci współczynnika FEM (factor extension modulus – FEM, jako
pierwiastek kwadratowy stosunku czasów krzepni cia odpowiednio nadlewu z otulin
i nadlewu bez otuliny – w masie piaskowej) lub do postaci stosunku modułów:
cieplnego do modułu geometrycznego. Takie sformułowanie jako ci otuliny (im
wi kszy FEM tym lepsza otulina) nie s praktycznie przydatne tak jak grupa
współczynników podstawowych λ, c, ρ (jedynie mo liwych do wykorzystania
w systemach symulacyjnych).
Analiza skuteczno ci i opłacalno ci stosowania otulin, izolacyjnych i
izolacyjno–egzotermicznych, doprowadziła do okre lenia praktycznych zasad
optymalizacji grubo ci otulin, daj cych najlepsze efekty ekonomiczne. Problem
optymalizacji grubo ci dotyczy tak e zasypek egzotermicznych i izolacyjnych (bez
materiałów spoiwowych) nakładanych na nadlewy odkryte.
Badania materiałów izolacyjnych i izolacyjno-egzotermicznych dla hutnictwa i
odlewnictwa s prowadzone w laboratoriach na stosunkowo małych próbkach
w postaci sypkiej lub gotowego wyrobu (otuliny lub cegły) i bywa, e w warunkach
odbiegaj cych od czasowo-temperaturowej rzeczywisto ci formy odlewniczej.
Niedotrzymywanie tych warunków (czasowo-temperaturowych) obejmuje zazwyczaj:
• niedopasowanie zakresu temperatury do warunków rzeczywistego
stosowania materiału jako otuliny,
• niezgodno
czasu w jakim poddaje si próbk materiału działaniu
temperatury w celu okre lenia danego współczynnika,
• brak szoku cieplnego czyli np. kontaktu z ciekłym metalem, co mo e
wpływa na moment zainicjowania i kinetyk przebiegu reakcji egzo lub
endotermicznych w materiale (o niskiej tzw. stabilno ci termicznej,
w zasadzie słusznie uto samianej z ognioodporno ci ).
Typowa procedura takich prób została dostosowana do warunków
przemysłowych, odpowiadaj cych pod wzgl dem wymiarów układu odlew-forma czyli
wielko ci danej grupy odlewów produkcyjnych (najwi ksze układy odlew-forma
wymagały dysponowania kilkoma tonami ciekłego metalu). W takich warunkach
nale y zoptymalizowa instalacj termoelementów w układzie odlew-forma i
zastosowa
aparatur
rejestruj c , zapewniaj c
bezawaryjne działanie
w warunkach zapylenia, obecno ci pól elektromagnetycznych i wy szej temperatury
otoczenia. Je eli te uwarunkowania s kompleksowo dotrzymane, otrzymane wyniki
rejestracji czasowych krzywych temperaturowych s bardziej warto ciowe, ni
badania na zminiaturyzowanych najcz ciej próbkach materiałów w warunkach
24
laboratoryjnych. Nale y mocno podkre li ,
e nawet badania realizowane
z wykorzystaniem ciekłego metalu, lecz na małych odlewach, nie daj pewno ci co
do zasadno ci ekstrapolacji wyznaczonych parametrów dla przypadków wi kszych
czy wr cz wielkogabarytowych odlewów [3,10].
Badania wymienionych materiałów przeprowadzone przez ostatnich
kilkana cie lat z du ym moim zaanga owaniem wykazały, e warto ci FEM
podawane przez producentów otulin s najcz ciej „reklamowo” zawy one,
zwłaszcza w przypadku wi kszych geometrycznych modułów nadlewów.
W katalogach dopiero od około dziesi ciu lat zacz to ró nicowa warto ci FEM,
w zale no ci od wielko ci otulin (nadlewu). Mimo to w dalszym ci gu bezpo rednia
przydatno
FEM w zestawieniu z wynikami komputerowej symulacji jest
ograniczona, a po rednie wnioskowanie o korelacji FEM i współczynników λ, c, ρ
wymaga wiedzy i szczególnej ostro no ci.
Podsumowuj c, warto ci współczynników FEM, mimo, e formalnie mo na
wyprowadzi zwi zek dla quasi stacjonarnych warunków w układzie odlew-forma:
FEM =
λ f . piask (c ⋅ ρ ) f . piask
λotuliny (c ⋅ ρ )otuliny
nie s zdecydowanie przydatne wprost jako wkład do bazy danych w kodach
symulacyjnych. Współczynniki FEM s stosowane powszechnie do oblicze
wielko ci (modułu) nadlewu izolowanego, w klasycznym projektowaniu koncepcji
odlewania w biurach technologicznych odlewni.
ródłem za pozyskiwania potrzebnych do oblicze symulacyjnych danych
termofizycznych s zestawienia współczynników w poradnikach, podr cznikach,
znacznie rzadziej w specjalnych opracowaniach na potrzeby systemów
symulacyjnych. Dost pno
do danych w poszczególnych bazach systemów
symulacyjnych nie jest zazwyczaj ograniczana pod wzgl dem dost pu do
odpowiednich plików i cz sto dochodzi do nieformalnej wymiany mi dzy
u ytkownikami systemów. Jednak warto ciowych danych dla materiałów
izolacyjnych, szczególnie egzotermicznych po prostu nie ma lub nie s
upowszechniane przez wytwarzaj ce te materiały grupy przemysłowe. Nale y przy
tym pami ta , e w systemach symulacyjnych u ytkownicy maj ró ne mo liwo ci
definiowania wła ciwo ci materiałów izolacyjno-egzotermicznych i egzotermicznych,
np. w przypadku uwzgl dnienia generowanego ródła ciepła w materiale. Ciepło
reakcji egzotermicznej (Power lub Q, [W/m3]), w zale no ci od rodzaju systemu
symulacyjnego, mo e by wyra ane w postaci funkcji:
• stałej (niezale nej od czasu i temperatury),
• zmiennej z temperatur Power = f(T), Q = f(T)
• zmiennej z czasem Power = f(t), Q = f(t).
W pracach [B2,B3,B7,B9] przedstawiono badania otulin izolacyjnoegzotermicznych i zasypek egzotermicznych oraz ich wyniki. Opracowana została
metodyka bada walidacyjnych [B2], w których wyznaczono temperatury zapłonu
[B3] oraz parametry termofizyczne badanych materiałów [B7,B9]. Pierwsza grupa
eksperymentów polegała na jednoczesnym odlaniu staliwa o znanym stopniu
przegrzania (temperaturze zalewania) do formy, której poszczególne wn ki, o tych
25
samych wymiarach geometrycznych, wykonano u ywaj c otulin z badanych
materiałów. Ka dy z odlewów, za wyj tkiem jednego tzw. referencyjnego (w masie
kwarcowej furanowej), był otulony innym rodzajem masy izoluj cej lub izoluj coegzotermicznej, o redniej grubo ci 25mm. Eksperyment miał na celu okre lenie
czasów krzepni cia odlewów o kształcie walcowym, umieszczonych w otulinach, na
podstawie przebiegu krzywych stygni cia i ich pochodnych oraz okre lenie przebiegu
temperatury na zapleczu poszczególnych otulin. Zarejestrowane krzywe
temperaturowe w geometrycznym centrum odlewów oraz na zapleczu otulin
posłu yły nast pnie jako zbiory danych eksperymentalnych wprowadzanych do kodu,
za pomoc którego realizowano obliczenia odwrotne.
W [B7,B9] opisano propozycj polegaj c na funkcyjnym uj ciu zmiennej
z czasem intensywno ci reakcji egzotermicznej. Wiadomo, e o post pie dowolnej
reakcji chemicznej informuje aktualna ilo (malej ce z czasem st enie c) danego
substratu. Na tej podstawie zaproponowano posta
funkcji
ródła ciepła
wydzielaj cego si na skutek reakcji egzotermicznej w postaci identycznej z tzw.
funkcj szybko ci reakcji I-go rz du (szybko ubytku substratów). Dla parametrów
termofizycznych wyznaczonych z u yciem takiej funkcji uzyskano najlepsz
zgodno symulacji z eksperymentem. Tak prób przedstawiono jako optymalne
praktyczne rozwi zanie zadania odwrotnego. Istnieje wtedy szansa, e wyznaczony
w ten sposób pakiet danych termofizycznych materiału otuliny b dzie mógł by
stosowany dla ka dej wielko ci nadlewu i grubo ci otuliny. Potwierdzono ponownie
celowo powi zania walidacji energetycznej i temperaturowej. Udowodniono dalej,
e przyj cie wykładniczo malej cej funkcji ródła ciepła (ujemna warto pochodnej
zmian st enia – V=-dc/dt) do opisania intensywno ci wydzielaj cego si ciepła, dla
przebadanych rodzajów otulin izo-exo, daje bardzo dobre dopasowanie krzywych
otrzymanych z symulacji do krzywych temperaturowych, zarejestrowanych podczas
próby eksperymentalnej (tradycyjnie zastosowano walidacj
energetyczn
z
jednoczesnym spełnieniem warunku dynamicznej walidacji temperatury). W wyniku
oblicze wyznaczono wszystkie brakuj ce współczynniki wł cznie z całkowitym
ciepłem reakcji egzotermicznej dla badanych otulin izo-exo.
Innym wa nym zagadnieniem jakie rozwi zano w pracy [B7], było opracowanie
metodyki badania zasypek i instrumentacja formy za pomoc termoelementów,
w warunkach formy zalewanej staliwem. Zaproponowana metodyka badania zasypek
sypkich (izolacyjnych i egzotermicznych), bez stosowania spoiwa wi
cego, jest
oryginalnym pomysłem, którego jestem współtwórc . Lokalnie, w ogniskach reakcji
egzotermicznej, w samym materiale, osi gane s wy sze temperatury ni
temperatura staliwa w stanie ciekłym, po zalaniu. Bezpo redni pomiar temperatury
wewn trz zasypki egzotermicznej jest praktycznie niemo liwy (temperatura mo e
przekracza 2000 °C, co przy obecno ci produktów reakcji prowadzi do silnej korozji
osłonek kwarcowych i uszkodzenia termoelementu, nawet pary PtRh6-PtRh18). St d
po próbach wst pnych zrezygnowano z takiego pomiaru. Natomiast pomiar na
zapleczu otuliny był mo liwy i pozwolił na uzyskiwanie dobrej powtarzalno ci
wyników (poprawa wiarygodno ci przy stosowaniu dwóch termoelementów na
zapleczu). W zagadnieniach odwrotnych powtarzalno
ta jest warunkiem
koniecznym, ułatwiaj cym doprowadzenie do zbie no ci algorytmu iteracyjnego.
26
Podsumowuj c, w wyniku opisanych w [B2,B3,B7,B9] bada wyznaczono zast pcze
współczynniki termofizyczne otulin izolacyjno–egzotermicznych oraz zasypek
egzotermicznych stosowanych na nadlewy: λ [W/(m⋅K)], c⋅ρ [J/(m3K)] oraz parametry
reakcji egzotermicznej: ciepło reakcji Qexo=f(t) [kJ/kg], czas reakcji egzotermicznej t i
temperatur zapłonu Tz.
Parametry termofizyczne i termomechaniczne mas formierskich i rdzeniowych oraz
walidacja kodów symulacyjnych w technologiach odlewania do form trwałych
wiruj cych
W pracach [B12, B13] podj to problem zmienno ci parametrów
termofizycznych masy formierskiej w zale no ci od warunków zmienno ci czasu i
temperatury oddziaływania na taki materiał (co uj to w powi zaniu z grubo ci
cianki odlewu). W artykułach przedstawiono metodyk wyznaczania rednich
zast pczych współczynników termofizycznych , c, ρ mas kwarcowych (wi zanych
ywic furanow [B12] i wi zanych szkłem wodnym zawieraj cych dodatkowo
mikroochładzalniki [B13]) w funkcji grubo ci cianek odlewu. Niska stabilno
termiczna tych jak i innych mas formierskich przekłada si na niestabilno
parametrów termofizycznych formy czyli ich zmienno z temperatur i z czasem
[B2]. Istniej ce w masie dodatnie i ujemne ródła ciepła (reakcje egzo– i
endotermiczne), o relatywnie niskiej wydajno ci, ujawniaj ce si
podczas
nagrzewania masy procesy fizykochemiczne, s trudne do modelowania, kiedy
usiłuje si uwzgl dni w modelu faktyczn obecno
tych ródeł. Znajomo
zast pczych współczynników termofizycznych takiej masy (bez eksponowania
obecno ci ródeł i ich opisu matematycznego) okazuje si wystarczaj cym i
efektywnym wyj ciem z tej sytuacji. Wa nym zało eniem upraszczaj cym, przyj tym
w tych badaniach jest zało enie o istniej cym wpływie temperatury i czasu na
wyznaczane współczynniki, który powinien si ujawni zmienno ci u rednionych ,
c, , (bez poszukiwania funkcyjnych postaci tej zmienno ci) w zale no ci od
zało onej zmienno ci grubo ci cianek odlewów.
W [B2] nawi zano do opracowanej w [3] oryginalnej metody oznaczenia
zast pczego współczynnika przewodno ci cieplnej w funkcji temperatury i tzw.
historii termicznej nagrzewania materiału formy – sub=f(T,Hth). Przedstawiono tam
wyniki sub=f(T,Hth) dla kilku mas formierskich jako powierzchnie na wykresach
trójwymiarowych. Wskazano jednocze nie, e aden ze współcze nie u ywanych
kodów symulacyjnych nie jest gotowy, aby podj
tego rodzaju wyzwanie czyli
wykorzystanie sub=f(T,Hth) w swoich modułach. Nale y przy tym doda , e
uzmiennienie sub w ka dym kroku czasowym wielkiej liczby (od kilku do kilkunastu
milionów) w złów w formie i konieczno
naliczania dla ka dego w zła historii
termicznej Hth, powodowałoby znacz ce wydłu anie czasu CPU oblicze .
Postanowiono zatem, aby wpływ warunków czasowo-temperaturowych uwzgl dnia
w innym wymiarze interpretacyjnym – uzale nienie od grubo ci cianek odlewu,
zdaj c sobie spraw ze wiadomego uproszczenia w takim podej ciu.
W badaniach [B12, B13] wyznaczono podstawowe zast pcze wła ciwo ci
termofizyczne badanych mas formierskich w zale no ci od grubo ci cianek odlewu.
27
W [B13] stwierdzono, e zmiany zast pczej pojemno ci cieplnej i współczynnika
akumulacji ciepła zale od udziału mikroochładzalników ( rutu eliwnego) w masie
formierskiej. Natomiast zast pcza przewodno cieplna zale y zarówno od udziału
rutu w masie jaki i od grubo ci odlewów.
Badania wła ciwo ci masy formierskiej [B12] potwierdziły, e grubo
cianki
odlewu ma wpływ na zast pcze współczynniki termofizyczne formy. Wynika to ze
zró nicowania czasowo–temperaturowych warunków w jakich zachodz przemiany
w masie formierskiej przylegaj cej do odlewu. Wpływaj one na zmieniaj cy si
w sposób ci gły stan struktury masy i w zwi zku z tym na intensywno przepływu
przez ni ciepła. Przyj cie metodyki polegaj cej na odlewaniu płyt, bez w złów
cieplnych oraz przyj cie opcji reprezentowania wła ciwo ci termofizycznych przez
zast pcze współczynniki u rednione, zidentyfikowane dla zró nicowanych czasów
krzepni cia, umo liwiło uproszczenie realizacji oblicze
odwrotnych, przy
zastosowaniu zasad walidacji energetycznej i dynamicznej walidacji temperatury.
Badania pokazały tak e, e interpretacja współczynników termofizycznych tylko
w zale no ci od temperatury, tak jak to czyni i proponuj bez wyj tku wszyscy
twórcy kodów symulacyjnych dla odlewnictwa, nie wyczerpuje zagadnienia. Opisane
w [B12] badania i uzyskane wyniki zmienno ci
i c,
w warunkach odlewania
eliwa, potwierdziły słuszno
postulatu uwzgl dnienia w formalnie jednorodnej
materiałowo formie, dynamicznych zmian wła ciwo ci cieplnych masy formierskiej.
Potwierdzało to powy szy wywód wynikaj cy z [3] i nawi zuj cy do [B2].
W pracach [B5,B6,B8] przedstawiono badania, w których wykorzystano
innowacyjny test Hot Distortion Plus do wyznaczania wła ciwo ci termofizycznych i
termomechanicznych mas formierskich i rdzeniowych, istotnie zmodyfikowany
sprz towo i metodycznie staraniem zespołu (zaproponowano nazw Hot Distortion
Plus). Szczegóły opisano w [B8]. Geneza tego kierunku bada wynikn ła z faktu
pojawiania si w kodach symulacyjnych modułu (model sprz ony) umo liwiaj cego
obliczanie napr e i odkształce w odlewie. Barier , która wstrzymuje stosowanie
tych modułów w odlewniach jest całkowity brak parametrów mechanicznych
materiałów formy (stała spr ysto ci, granica plastyczno ci, współczynnik Poissona,
współczynnik rozszerzalno ci). Nale y doda , e dla materiałów porowatych
stosowanych na formy i rdzenie te parametry ulegaj gwałtownym zmianom
z temperatur i czasem oddziaływania ciepła na taki materiał. Bardzo zło ony i
trudny do modelowego opisu jest pakiet zjawisk degradacji wła ciwo ci
mechanicznych masy formierskiej zaczynaj cy si ju w trakcie zalewania formy i
trwaj cy a do czasu usuni cia odlewu z formy. W celu wyznaczenia zast pczych
parametrów mechanicznych badanych mas formierskich i rdzeniowych opracowano
metodyk bada walidacyjnych z wykorzystaniem testu Hot Distortion Plus.
Warunkiem koniecznym do identyfikacji parametrów termomechanicznych była
wcze niejsza walidacja modelu cieplnego [B8], w której zostały wyznaczone
zast pcze parametry termofizyczne sze ciu rodzajów badanych mas formierskich i
rdzeniowych. W pracach [B5,B6] wykorzystano badania, w których rejestrowano
zmienno pól temperatury (nowa mo liwo zmodyfikowanej metody Hot Distortion
Plus) oraz odkształcenie badanej próbki masy wywołane oddziaływaniem cieplnym
płomienia gazowego. Przeprowadzono testy walidacyjne z wykorzystaniem kodu
28
symulacyjnego Comsol Multiphysics. Rozwi zywano współczynnikowe zagadnienie
odwrotne metod iteracyjn . W pracy [B5] do oblicze odkształce nagrzewanej
próbki zastosowano spr ysty model odkształce , natomiast w pracy [B6] model
spr ysto-plastyczny. W wyniku przeprowadzonych bada
walidacyjnych
wyznaczono zast pcze parametry mechaniczne: Esub = E(T) [Pa], sub= (T)[1/K], ys
[Pa] i ETiso [Pa]. Wyznaczone w badaniach parametry mechaniczne masy
formierskiej zastosowano do oblicze napr e w eliwnym odlewie testowym (krata
napr eniowa). Wyniki oblicze
w modułach termomechanicznych kodów
Magmasoft, NovaFlow&Solid i Procast przedstawiono w [B4].
Kolejna grupa bada wła ciwo ci termofizycznych materiałów stosowanych na
formy jednorazowe dotyczy bentonitowych wilgotnych mas formierskich. W pracy
[B1,B2] wyznaczano zast pcze parametry termofizyczne bentonitowej wilgotnej
masy formierskiej z uwzgl dnieniem efektów cieplnych wynikaj cych z powstawania
w niej i przemieszczania strefy przewil onej.
Zjawiska powstawania i ruchu strefy przewil onej były w przeszło ci wielokrotnie
poddawane badaniom [56-62]. Badania te dotyczyły przewa nie opracowania metod
pomiaru wilgotno ci i temperatury w formie wykonanej z wieloskładnikowego
materiału porowatego jakim jest wilgotna masa formierska, bez oznaczania ich
parametrów termofizycznych.
Podczas transportu ciepła przez wielofazowe ciało porowate, jego ziarnista
wieloskładnikowa struktura mo e ulega modyfikacji wynikaj cej z przemian
fazowych jego składników w funkcji pola temperatury i/lub czasu. W wyniku przemian
fazowych zaczynaj funkcjonowa wewn trzne ródła ciepła utajonego. Wszystko to
wpływa na dynamik zmian pola temperatury. Ponadto mog temu towarzyszy
przepływy niektórych gazowych składników przemian fazowych (np. pary) o
charakterze masowym, w przypadku pojawienia si ró nicy st e i/lub ci nie
oddziałuj c na pola rozkładu masy fizycznej. Proces równoczesnego, strefowego
powstawania, ruchu i skraplania pary wodnej w wilgotnym materiale porowatym jest
zagadnieniem skomplikowanym, które to zjawiska nale ałoby uj
w modelu
równoczesnego przepływu ciepła i masy, z uwzgl dnieniem prawa Darcy’ego tj.
penetracji płynu przez o rodek porowaty. Nieustalone w czasie procesy transportu
ciepła i wilgoci prowadz do lokalnego w czasie i przestrzeni zró nicowania
technologicznych wła ciwo ci wilgotnej masy formierskiej, co w skrajnych
przypadkach mo e prowadzi do niebezpiecznego odsklepienia masy formierskiej
w rejonach przesuwaj cej si strefy kondensacji, gdzie wytrzymało mechaniczna
masy spada drastycznie, powoduj c odsklepienie i rozwarstwienie formy.
Powstawanie i ruch strefy przewil onej opisano w pracach [58,59], gdzie autorzy
wyodr bnili w ogrzewanej wilgotnej masie trzy strefy: masy suchej, masy
przej ciowej (parowanie, przenoszenia i kondensacji pary), oraz masy wie ej
(pierwotnej, zewn trznej). Strefy te s
oddzielone od siebie umownymi
powierzchniami parowania i kondensacji, których temperatury charakterystyczne
odpowiadaj przemianom fazowym zachodz cym w tym obszarze (jako odniesienie
rozwa ana jest tylko temperatura wrzenia wody).
Powstanie i ruch pary wodnej w wilgotnych ciałach porowatych poddanych
szokowi cieplnemu (badano kontakt z ciekłym eliwem) nale
do zagadnie
29
skomplikowanych je li chodzi o modelowy opis zjawisk. Mo na je ewentualnie
sformułowa , ujmuj c osobno ródła ciepła parowania i penetracj pary wodnej czyli
sprz enie pól: temperatury (model Fouriera-Kirchhoffa) i rozkładu wilgotno ci
(z wykorzystaniem modelu Darcy’ego). Mo na te
wprowadzi
zast pcze
współczynniki termofizyczne dla materiału porowatego i sprowadzi zagadnienie
jedynie do zmodyfikowanego obecno ci i oddziaływaniem wilgoci pola temperatury.
Post puj cy w przestrzeni porowatego wilgotnego ciała efekt parowania, dyfuzji
wilgoci, skraplania i ruchu wilgoci powoduje synergiczne zintensyfikowanie
strumienia cieplnego. Te zjawiska zachodz oczywi cie równie w wilgotnej masie
formierskiej, jednak w praktyce odlewniczej problemy te sprowadzaj si praktycznie
i jedynie do zagadnienia oddziaływania na ekstrakcji ciepła z odlewu. Tak wi c
sensowne staje si
analizowanie efektów cieplnych tych procesów i ich
oddziaływania na proces krzepni cia odlewu. Przy takim zało eniu, modelowanie
zjawisk zachodz cych w masie formierskiej powinno uwzgl dnia
jedynie
energetyczne oddziaływanie na procesy w odlewie i by odniesione pragmatycznie
w ten sposób do specyfiki procesu odlewania, z uwzgl dnieniem pomocniczej, acz
istotnej roli formy w tym procesie.
W pracy [B1] zaproponowano nowe efektywne uproszczenie w modelu
uwzgl dniaj cym wyst powanie strefy przewil onej w masie formierskiej. Dotyczyło
to jego aplikacji w odlewniczych kodach symulacyjnych, w których zjawiska zwi zane
z powstawaniem strefy przewil onej nie s uwzgl dniane. Dodatkowym zało eniem
było, aby wykorzysta istniej ce w danym kodzie symulacyjnym moduły obsługuj ce
wprowadzanie danych termofizycznych, bez ingerencji w struktur algorytmów kodu.
W tej sytuacji cał odpowiedzialno
za prawidłowe prognozowanie przemian
zwi zanych z efektami cieplnymi parowanie/skraplanie powierzono zast pczym
parametrom termofizycznym wilgotnej masy formierskiej. W zwi zku z tym
w badaniach przewidziano wprowadzenie do modelu u ywanego w danym kodzie
takich zast pczych parametrów termofizycznych wilgotnego o rodka porowatego
(masy formierskiej) w funkcji temperatury. Do modelu cieplnego wprowadzono zatem
odpowiednio parametry: zast pczy współczynnik przewodzenia ciepła subst i
zast pcz pojemno ciepln masy formierskiej w funkcji temperatury (parowanie)
oraz uwzgl dniono dodatkowe ródło ciepła w funkcji czasu (skraplanie).
Wprowadzono w zwi zku z tym dwa poj cia nawi zuj ce do chwilowego stanu
masy i zjawisk zachodz cych w masie wilgotnej w czasie. S to:
- zmodyfikowana zast pcza pojemno
cieplna Csubst/modif//vapor dotyczy
materiału formy jako odbiornika ciepła, gdzie uj to globalnie: Csubst (dla
umownej masy suchej) i uzupełniaj ce oddziaływanie członu – ujemne
ródło wewn trzne – zwi zane z przemian fazow (parowanie) wody
Csubst/modif//vapor = Csubst + ·Lvapor(T)·( w/ T); przez w oznaczono ułamek wilgoci
zanikaj cy w czasie, uj ty w zale no ci od lokalnej temperatury masy
formierskiej (przyj to, e obowi zuje dla zakresu temperatury 95 do 107°C) –
w ten sposób uj to ujemne ródło ciepła (upust); wykorzystano moduł kodu,
umo liwiaj cy definiowanie przez u ytkownika zmienno ci klasycznych
parametrów masy ( ,c i ) dla tzw. bez ródłowych pól temperatury,
30
- utajone ciepło kondensacji (proporcjonalne do narastaj cej z czasem ilo ci
skondensowanej wody [%]), w postaci funkcji ródła ciepła o nast puj cych
parametrach: Lcondensation (energia kondensacji [J/kg]).), Tini/condensation
(temperatura pocz tku zaistnienia funkcji
ródła) i tcondensation (czas
generowania ciepła kondensacji); wykorzystano zatem moduł kodu
symulacyjnego przeznaczony dla specjalnych materiałów formy t.j. materiałów
wytwarzaj cych energi na drodze reakcji egzotermicznej, o parametrach
mo liwych równie do zdefiniowania przez u ytkownika dla tzw. ródłowych
pól temperatury (materiały typu egzo).
W celu uwzgl dnienia w symulacji efektów cieplnych procesów migruj cych
stopniowo w gł b formy t.j. parowania, transportu pary i jej skraplania, w formie
wydzielono dwie strefy:
• pocz tkow stref parowania (initial evaporization zone) – z uwzgl dnieniem
Csubst/modif//vapor,
• hipotetyczn
stref
przewil on
(hipothetic over-moisture zone) –
z uwzgl dnieniem Csubst/modif/vapor i funkcji ródła ciepła (ciepła kondensacji).
Przyj ta koncepcja initial evaporization zone (endotermiczny charakter
utajonego ciepła parowania – upust cieplny)
oddziałuje cieplnie na odlew
w pocz tkowej fazie procesu jego stygni cia, w trakcie i tu po wypełnieniu wn ki
formy, kiedy nast puje zwi kszenie intensywno ci ekstrakcji ciepła z odlewu. Wynika
to ze zwi kszonej w ten sposób zast pczej pojemno ci cieplnej formy. W oddalonej
strefie od powierzchni kontaktu metal-forma, nazwanej hipothetic over-moisture zone
w zwi zku ze skraplaniem pary wodnej wyst puje utajone ródło ciepła kondesacji.
Ciepło kondesacji (zjawisko egzotermiczne) generowane jest w tej strefie i jest to
uto samione w tym modelu jako funkcja ródła, gdy lokalna temperatura formy jest z
przedziału od 50 do 100 °C (umownie). Z upływem czasu wpływ tej strefy na
szybko
stygni cia odlewu (na szybko
ekstrakcji ciepła z odlewu) jest coraz
mniejszy. Uzasadniono, e wilgotno masy formierskiej w hipothetic over-moisture
zone jest kilkukrotnie wi ksza od wilgotno ci pocz tkowej i zało ono jej stało , a
ciepło kondensacji jest mniejsze od ciepła parowania o warto wynikaj c z ciepła
parowania wody w masie odpowiadaj cej wilgotno ci pocz tkowej (initial evaporation
zone).
Aby uwiarygodni przedstawione zało enia wykonano badania walidacyjne z
u yciem kodu symulacyjnego Procast, w którym zjawiska zwi zane z transportem
wilgoci nie s bezpo rednio modelowane. Badano masy formierskie o ró nej
wilgotno ci pocz tkowej. W wyniku bada wyznaczono zdefiniowane powy ej
zast pcze parametry termofizyczne masy formierskiej, w których uwzgl dniono
ciepło parowania wody (zjawisko endotermiczne) i ciepło kondensacji pary wodnej
(zjawisko egzotermiczne). Stwierdzono tak e, e wilgotno
pocz tkowa masy
formierskiej ma wpływ na dynamik ruchu strefy przewil onej identyfikowan na
podstawie temperaturowej krzywej nagrzewania formy. Wyznaczone w [B1]
zast pcze parametry termofizyczne wilgotnej masy formierskiej wprowadzono do baz
danych w kodach Procast i NovaFlow&Solid.
Obecno wody w masie formierskiej wpływaj c na dynamik odbioru ciepła z
odlewu ma istotne znaczenie szczególnie podczas zalewania formy (oddziaływanie
31
na strug stopu w kanałach układu wlewowego) oraz dla cianek odlewu o małej
grubo ci. Temu zagadnieniu po wi cono kolejne badania z zastosowaniem
oryginalnej metodyki. Wi
c spadek temperatury metalu w kanałach układu
wlewowego i wn ce formy podczas jej wypełniania i bior c pod uwag wynik badania
lejno ci stopu, jako podstaw walidacji modelu, nale ało obok parametru zmiennej
lepko ci stopu wzi
pod uwag zmieniaj ce si wła ciwo ci formy wilgotnej,
szczególnie w pocz tkowym stadium okresu wypełniania formy. W [B1] opisano trzy
weryfikuj ce eksperymenty odlewania spirali lejno ci dla ró nych warunków
pocz tkowych (ró ne temperatury zalewania) oraz dla ró nych gatunków eliwa,
których celem było porównanie z wynikami przewidzianych symulacji. Celem była
oczywi cie walidacja klasycznego modelu u ywanego w kodach symulacyjnych
Procast i NovaFlow&Solid, w którym wykorzystano zdefiniowane wy ej zast pcze
parametry termofizyczne masy wilgotnej.
Wykonano seri symulacji i z sukcesem potwierdzono oczekiwany wpływ
zast pczych parametrów termofizycznych masy formierskiej w strefie przewil onej na
długo
spirali lejno ci. Nale y w tym miejscu doda , e uzyskano dodatkowe
informacje o procesie wypełniania spirali lejno ci przy zachowaniu wysokiej
wiarygodno ci wyników eksperymentów. Uzyskano to dzi ki opracowaniu układu
pomiarowego do kontroli czasów wypełniania wn ki formy podczas odlewania spirali
lejno ci. Układ ten i jego elementy były podstaw zgłoszenia patentowego („Układ
pomiaru czasu lub pr dko ci napełniania wn ki formy odlewniczej”. Autorzy:
Ignaszak Z., Hajkowski J., Popielarski P.)
Walidacja kodów symulacyjnych w technologiach odlewania do form trwałych na
przykładzie odlewania od rodkowego (do form wiruj cych)
W literaturze mo na spotka liczne wyniki bada dotycz ce współczynnika
wymiany ciepła mi dzy odlewem a form trwał . Badania te dotyczyły głównie
procesów odlewania kokilowego i ci nieniowego stopów metali nie elaznych [63-67].
Natomiast, kiedy pojawiło si wyzwanie dotycz ce optymalizacji w obszarze
koncepcji technologii wykonywania odlewów eliwnych w wiruj cych formach
trwałych, z wykorzystaniem metod symulacyjnych okazało si , e brakuje danych
dotycz cych współczynników wymiany ciepła w układzie odlew – forma wiruj ca –
otoczenie. Identyfikacji tych zjawisk po wi cono badania opisane w pracy [B3],
w której przedstawiono wyniki bada walidacyjnych nad tym procesem odlewania
eliwa odniesione do kodu symulacyjnego Calcosoft. Dodatkowym utrudnieniem był
fakt, e form wiruj c do której zalano ciekłe eliwo, a dokładniej zewn trzn
powierzchni kokili okresowo chłodzono stosuj c natrysk wodny.
Zaproponowano oryginaln kompleksow metodyk bada , w której głównym
celem było okre lenie pól temperatury w układzie odlew eliwny – kokila wiruj ca.
Zastosowano bezstykowe metody pomiaru temperatury z zastosowaniem pirometru i
kamery termowizyjnej. Poszukiwane parametry wyznaczono na drodze rozwi zania
zagadnienia odwrotnego metod iteracyjn stosuj c kod symulacyjny Calcosoft.
W wyniku tych bada przedstawionych w [B3] wyznaczono zast pcze współczynniki
wymiany ciepła [W/(m2K)] mi dzy: odlewem eliwnym a wiruj c form trwał oraz
32
mi dzy wiruj c form trwał a otoczeniem (natrysk wodny). Badania wymagały
tak e oszacowania warunków wymiany ciepła mi dzy wewn trzn powierzchni
odlewu od rodkowego (grubo cienna tuleja do silnika spalinowego du ej mocy) a
otoczeniem.
Badania walidacyjne off-line
W drugiej cz ci zestawienia najwa niejszych osi gni
naukowych
przedstawione
zostan
wyniki
bada
walidacyjnych
off-line
(badania
eksperymentalne były dokonywane na gotowych odlewach odlewach),
przeprowadzonych w celu optymalnego wykorzystania modeli mi kkich stosowanych
w odlewniczych kodach symulacyjnych.
Modelowanie i symulacja zło onych zjawisk podczas krystalizacji stopów
metali w kodach symulacyjnych opieraj si o modele matematyczno-fizyczne, które
w zró nicowany sposób odzwierciedlaj t zło ono procesów fizyko-chemicznych i
ich sprz enia. Uproszczenia jakie temu towarzysz , nie s w wystarczaj co
zrozumiały sposób ujawniane u ytkownikom w oknach pomocy (help) i w
podr cznikach kodów (manuals). Opracowuj c projekt eksperymentalnej walidacji
odlewniczych kodów symulacyjnych nale y zało y , e zakres wspomnianych
uproszcze jest przypisany jednoznacznie do u ywanego kodu. I dalej, e dotyczy to
te modeli „mi kkich” w zakresie zgodno ci wirtualnego i rzeczywistego wyniku
oblicze
symulacyjnych, najcz ciej prognozy porowato ci pochodzenia
skurczowego (shrinkage).
Zjawiska skurczowe i ich kompensowanie (neutralizacja) przez strumie
ciekłego stopu uzupełniaj cy powstaj ce pustki w strukturze stało-ciekłej odlewu s
najistotniejsze w sensie oczekiwa co do ich skuteczno ci w modelowaniu procesów
odlewania. Te lokalne przepływy zwi zane s z takimi zagadnieniami znanymi
projektuj cym koncepcj technologii odlewania z danego stopu jak:
• współczynnik skurczu zasilania (skurcz przegrzania i krzepni cia),
• zasi g oddziaływania przepływu zasilaj cego z nadlewów (generalnie, z
obszarów o wi kszym module krzepni cia do obszarów o mniejszym
module),
• wpływ ochładzalników na kierunkowo krzepni cia i zasilania.
Podstawowym zatem oczekiwaniem formułowanym przez u ytkowników (zwłaszcza
pocz tkuj cych technologów) wobec systemów wirtualizacji procesu, co do
potwierdzenia skuteczno ci wst pnie opracowanej technologii, jest sprawdzenie jej
poprawno ci wła nie ze wzgl du na wykluczenie wad pochodzenia skurczowego.
Prognoza tych wad i porównanie ich z kryterium dopuszczalno ci sformułowanym
w warunkach odbioru przez klienta, stanowi o dopuszczeniu odlewu do produkcji
(według opracowanej wst pnie a nast pnie korygowanej wersji technologii).
Jak potwierdzono w [B10] intensywno zjawisk skurczowych przybli onych
w modelu praktycznie dla ka dego kodu symulacyjnego wynika z przebiegu
sumarycznej zmienno ci g sto ci krystalizuj cych faz z temperatur – =f(T).
Z drugiej strony dynamika powstawania fazy stałej (lub globalnie – poszczególnych
faz) oraz warunki przepływu zasilaj cego (uj tego arbitralnie jako tzw. ułamki
33
krytyczne fazy ciekłej lub stałej) a tak e wpływ grawitacji b d równie decydowa o
poło eniu i intensywno ci makro- i mikroporowato ci skurczowych. Proces
powstawania struktury krystalicznej w odlewach najlepiej mo na zidentyfikowa
energetycznie na podstawie analizy krzywej stygni cia w funkcji czasu i jej pierwszej
pochodnej (metoda analizy termicznej ATD). Metoda ta pozwala na lokalne (w
obr bie obszaru odlewu wokół termoelementu) wnioskowanie co do kinetyki
procesów krystalizacji (wraz z oszacowaniem zaistnienia efektów cieplnych
wynikaj cych z obecno ci wewn trznych ródeł ciepła krystalizacji) jakie zachodz
podczas tego procesu, a mi dzy innymi pocz tek i koniec zarodkowania i wzrostu
poszczególnych faz. Rozwi zanie tego problemu pozwala oceni
kinetyk
krystalizacji poszczególnych faz oraz zidentyfikowa ilo ciowo efekty cieplne tych
procesów. Zagadnienie analizy termiczno/derywacyjnej wi e si
z krzyw
kalorymetryczn (zwana zerow lub bazow ). Krzywa ta pozwala na okre lenie ilo ci
ciepła krystalizacji wydzielanej w ka dej dowolnej chwili procesu. Wyznaczenie ww.
krzywej pozwala na przybli enie kinetyki krystalizacji, czyli powstawania faz w danym
stopie oraz równoległego wyznaczenia narastaj cego ułamka fazy stałej. Nale y
doda , e tzw. krzywa zerowa pokrywa si z krzyw uzyskan z zabiegu
ró niczkowania krzywej stygni cia (zwanej te derywacyjn ), w czasie, gdy nie
zachodzi generowanie ciepła z wewn trznych ródeł (jakby ciepło wydzielane z
odlewu było tylko tzw. ciepłem akumulacji). To podej cie jest znane jako tzw. analiza
Newtonowska.
W [B10] przedstawiono zastosowanie wyników DTA (Derivative Thermal
Analysis) uzyskanych dla eliwa szarego GJL250, wykonywanych w klasycznym
kubku do analizy termicznej z pojedynczym termoelementem typu K, do wyznaczenia
krzywej Fs=f(T) i ich u ycie w podstawowym modelu generowania ciepła utajonego
(makromodel). Przebieg krzywej stygni cia w tej metodzie jest relatywnie prostym
sposobem na uzyskanie podstawowych informacji o „energetycznym” przebiegu
krystalizacji i wykorzystanie tej informacji w modelowaniu, w odniesieniu do jako ci
metalurgicznej stopu i jego skłonno ci do tworzenia porowato ci skurczowych. Ten
uproszczony sposób podej cia do modelowania krystalizacji (a wła ciwie krzepni cia
rozumianego jak przyrost fazy stałej) jest stosowany od pocz tku w kodach
symulacyjnych i nazwany makromodelowaniem krzepni cia. Niektóre z tych kodów
stosuj go do dzisiaj (m.in. NovaFlow&Solid), inne kody, po wprowadzeniu opcji
nowego modułu (mikromodelowanie krystalizacji: zarodkowanie i wzrost kryształów
oparte o modelowanie typu „mi kkiego”) dopuszczaj jego stosowanie alternatywne.
W wyniku testów symulacyjnych zrealizowanych za pomoc kodu Procast [B10]
wykazano, e zastosowany w makromodelu opis zjawisk i generuj ca ciepło utajone
(w matematycznym sensie formalnym) zale no
Fs=f(T) decyduj o prognozie
porowato ci pochodzenia skurczowego w odlewach (na przykładzie odlewów z
eliwa szarego GJL250).
Obecnie, w wi kszo ci komercyjnych kodów symulacyjnych (np. Procast,
Magmasoft) stosuje si modele mikro dla wybranych stopów, a kolejni producenci
takich kodów jak NovaFlow&Solid oraz Vulcan w niedługim czasie wł cz je do
swoich kodów (według osobistych informacji uzyskanych od ich twórców).
34
Charakterystyczn cech modelu krystalizacji mikro-makro, jest uwzgl dnianie
kinetyki powstawania mikrostruktury, a tak e zachodz cych przemian fazowych.
Wyst puje sprz enie pola temperatur w skali makro ze zjawiskami zarodkowania i
wzrostu kryształów w skali mikro. Istnieje, zatem mo liwo
jako ciowego
prognozowania kinetyki krzepni cia odlewu w powi zaniu z parametrami struktury.
Komplikowanie modeli przez wprowadzanie opisu nowych zjawisk prowadz cych do
lepszego formalnego przybli enia fizyki zjawisk jak np. zarodkowanie
poszczególnych faz, ich wzrost, i dalej takie poj cia jak fazy mi dzymetaliczne,
segregacja, skurcz i napr enia, przepływy w strefie stało-ciekłej, co najwy ej
przybli aj nas do coraz doskonalszego modelu (w dalszym ci gu nie pozbawionego
uproszcze , w tym z konieczno ci korzystania z modeli empirycznych). Jest to
ci le powi zane z potrzeb dysponowania nowymi parametrami fizycznymi i
współczynnikami wchodz cymi w zestaw warunków jednoznaczno ci w bazach
danych materiałowych. W [B10, B11, B14] badano tak e czuło
makro i
mikromodeli kodów symulacyjnych na zmienno
parametrów wchodz cych do
empirycznych formuł modeli „mi kkich”. W [B11] analizowano mi dzy innymi wpływ
tej zmienno ci parametrów na wyst powanie porowato ci pochodzenia skurczowego
oraz gazowego w odlewach ze stopu Al-Si. Badania przeprowadzono w powi zaniu z
wcze niejsz walidacj modeli twardych (walidacja energetyczna i temperaturowa).
Wyznaczono tak e zestaw parametrów stopu AlSi7Mg0.3, które zastosowano do
uzupełnienia bazy danych modułu porosity kodu symulacyjnego Calcosoft. W [B11,
B14] opisano równie badania walidacyjne kodu Calcosoft CAFE (Cellular
Automaton Finite Element), który umo liwia symulacj powstawania mikrostruktury
fazy stałej w odlewach ze stopu Al-Si. W modelu tym mechanizmy zarodkowania i
krystalizacji oparto o mi kkie modele bazuj ce na formułach Oldfielda i Rappaza
[30]. W [B11] przeprowadzono badania walidacyjne modułu Calcosoft CAFE dla
warunków krzepni cia kierunkowego (odlew o kształcie walca wykonywany w formie
z materiału izolacyjnego z ochładzalnikiem z miedzi). Dla wyznaczonych parametrów
uzyskano zadowalaj co dobr zgodno
wyników symulacji z eksperymentem.
Niezale ne badania walidacyjne modułu Calcosoft CAFE przeprowadzono dla
przypadku cieplnej obróbki powierzchniowej odlewu przy u yciu wi zki lasera [B14],
w których analizowano i wskazano rozwi zanie dla przypadku jeszcze wi kszej
dynamiki procesu lokalnego topienia i krzepni cia ni w przypadku formy z
ochładzalnikiem z miedzi. W badaniach wyznaczono warunki brzegowe wła ciwe dla
procesu intensywnego nagrzewania wi zk lasera i intensywnego odbioru ciepła z
nadtopionej cz ci odlewu przez jego gł bsze warstwy. Nast pnie po spełnieniu
warunku walidacji energetycznej i temperaturowej analizowano grubo
strefy
przetopionej. Walidacj
modelu „mi kkiego” przeprowadzono na podstawie
zgodno ci parametrów mikrostruktury w strefie przetopu uzyskanej na drodze
symulacji z eksperymentem (badania metalograficzne). Uzyskane w wyniku bada
walidacyjnych [B11, B14] parametry wprowadzono do bazy danych kodu Calcosoft
CAFE, uzyskuj c zadowalaj ce efekty prognoz strukturalnych, w tym CET –
columnar to equiaxed transition (zone) czyli oszacowanie poło enia granicy przej cia
strefy kryształów kolumnowych w stref kryształów równoosiowych na przekroju
odlewu.
35
Podsumowanie rozdziału 4
Opublikowane wyniki bada , które stanowi jednotematyczny cykl publikacji,
s mi dzy innymi wynikiem współpracy z przemysłem (odlewniami w Polsce i za
granic ) oraz z twórcami kodów symulacyjnych:
• ESI Group i MECAS ESI (Szwajcaria, Francja, Republika Czeska) –
kody symulacyjne Procast i Quikcast,
• Novacast (Szwecja) – kod symulacyjny NovaFlow&Solid,
• Calcom (obecnie w składzie ESI Group) (Szwajcaria) – kody
symulacyjne Calcosoft i CAFE,
• CIMNE i Quantech (Hiszpania) – kody symulacyjne Vulcan i C2CClick2cast).
Wyznaczone w rezultacie wykonanych bada współczynniki, które zostały
wyszczególnione w rozdziale 3, przedstawiono w pracach [B1-B14]. W pracach tych
zastosowano autorskie metody badawcze z wykorzystaniem zaprojektowanych
stanowisk (w tym oryginalnego oprzyrz dowania i specjalnej aparatury) oraz z
zastosowaniem
opracowanych
procedur
eksperymentalno-symulacyjnych.
Otrzymane w ten sposób współczynniki były sukcesywnie stosowane do
uzupełniania baz danych w kodach symulacyjnych Magmasoft, Procast,
NoavaFlow&Solid, Calcosoft, Vulcan i C2C. Po ich przetestowaniu w biurach
technologicznych odlewni krajowych i zagranicznych, zostały one wprowadzone do
praktyki optymalizacji technologii i wyboru ostatecznej koncepcji odlewania.
U ytkownicy korzystaj cy z tych współczynników wskazuj
na lepsz
zgodno
wyników symulacji z wynikami rzeczywistymi, wyra aj c si przez
celniejsze prognozowanie jako ci odlewów, identyfikowanej za pomoc bada
nieniszcz cych (ultrad wi kowo lub radiograficznie).
5. Literatura uzupełniaj ca:
[1] Sakwa W., Suchy J.S., Przegl d Tematów Mi dzyresortowego Problemu Bada
Podstawowych MR l 20 prowadzonych w latach 1981-85, Krzepni cie metali i
stopów t. X, PL ISSN 0208-9386 ISSN 83-04-02304-0, Ossolineum 1985
[2] Sakwa W., (koordynator Centralnego Programu Bada Podstawowych 02.09) –
Syntetyczna Charakterystyka Przebieg Prac W Problemie CP8P 02.09 pt.
"Krzepni cie i Krystalizacja Odlewnictwo w 1988”
[3] Ignaszak Z., Virtual Prototyping w odlewnictwie. Bazy danych i walidacja.
Monografia. W–ctwo Pol.Pozn., Pozna 2002
[4] Stephens R.I., Fatemi A. et al., Metal Fatigue in Engineering,
Ed. by
J.Willey&Sons, Inc, 2001
[5] Ignaszak Z., Ciesiółka J., Local mechanical properties in casted products and
acceptability of shrinkage discontinuities in terms to operating loads, Proceedings
of XIV Seminar on NDT of Materials, Zakopane, 2008
36
[6] Ravi B., Computer-aided Casting Design and Simulation, STTP, V.N.I.T. Nagpur,
July 21, 2009
[7] Drezet J.-M., Rappaz M., Grun G.-U., Gremaud M., Determination of
Thermophysical Properties and Boundary Conditions of Direct Chill–Cast
Aluminum Alloys Using Inverse Methods, Metallurgical and Materials
Transactions, Volume 31A, 2000, p.1627
[8] B. Ravi, Casting Simulation – Best Practices, Transactions of 58th IFC,
Ahmedabad, 2010
[9] Yang X. L., Lee P. D., Brooks R. F., Wunderlich R., The Sensitivity of Investment
Casting Simulations to the Accuracy of Thermophysical Property Values,
Superalloys, 2004, pp951-958
[10] Ignaszak Z., Simulation Model Sensivity to Quality of Material Properties,
Solidification of Metals and Alloys, Volume 1, Book No. 40,1999, Pp.25-36
[11] Majchrzak E. Jasi ski M., Sensitivity analysis in solidification problems –
variation of thermal conductivity of mould, Krzepni cie metali i stopów, Rocznik 2,
Nr 44, Rok 2000, ss. 217-222
[12] Majchrzak E., Janisz D., Mendakiewicz J., Piasecka-Belkhayat A., Identification
of thermophysical parameters of the mould, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 4,
Nr 14, Rok 2004, ss. 279-284
[13] Praca zbiorowa, Manual Magmasoft, materiały firmy Magma, 2002
[14] Atterton D.V., The apparent thermal conductivities of moulding materials at high
temperatures, Journal of the Iron and Steel Institute, 1953
[15] udnovski A.F., Teplofizi eskie charakteristiki dispersnych materialov, Moskva,
GIFML 1962
[16] Mochnacki B., Suchy J., Modelowanie i symulacja krzepni cia odlewów. PWN
Warszawa, 1993
[17] Suchy J., Segregacja pierwiastków stopowych podczas krzepni cia
kierunkowego (rozprawa habilitacyjna), Zeszyty Naukowe Politechniki l skiej
1983, nr 743
[18] Chiumenti M., Agelet de Saracibar C., Cervera M., On the Numerical Modeling
of the Thermomechanical Contact for Metal Casting Analysis, Journal of Heat
Transfer 130, 061301 (2008)
[19] Thomas B.G., Modeling of Hot Tearing and Other Defects in Casting Processes,
ASM Handbook, Vol. 22, 2009
[20] Stefanescu D.M., Methodologies for modeling of solidification microstructure
and their capabilities. ISIJ, Vol. 35, No. 6, 1995, s. 637–650
[21] Kapturkiewicz W., Modelowanie krystalizacji odlewów eliwnych, seria
Monografie, nr 2/2003, W-ctwo Naukowe AKAPIT, 2003
[22] Rappaz M., Modelling of solidification at various length scales: From the
processes to the microstructure and defects, EUROPAM, Mainz, October 16-17
2003
[23] Dantzig J.A., Solidification Processes: From Dentrites to Design; Continuum
Scale Simulation of Engineering Materials Fundamentals - Microstructures –
Process Applications, Wiley-VCH 2004
[24] Boresi, Chong, Elasticity in engineering mechanics, Wiley, 2000
37
[25] NASA Langley Research Center Nanotechnology Modeling and Simulation
[26] Jacot A., Rappaz M., A pseudo-front tracking technique for the modelling of
solidification microstructures in multi-component alloys, Acta Materialia vol. 50,
2000, pp. 1909-1926
[27] Guillemot G., Gandin Ch. A. and Bellet M., Interaction between single grain
solidification and macrosegregation: Application of a cellular automaton-Finite
element model, J. of Crystal Growth 303, 2007, pp. 58–68
[28] Burbelko A.A., Gurgul D., Kapturkiewicz W., Górny M., Modelling of Eutectic
Saturation Influence on Microstructure in Thin Wall Ductile Iron Casting Using
Cellular Automata, Archives of Foundry Engineering, Volume 12 Issue 4/2012,
2012, pp. 11-16
[29] Du Q., Jacot A., A two-dimensional microsegregation model for the description of
microstructure formation during solidification in multicomponent alloys:
Formulation and behavior of the model, Acta Materialia vol. 53, 2005, pp. 34793493
[30] Rappaz M., Jacot Ch.A., Gandin A., Modeling of dendritic grain formation during
solidification at the level of macro- and microstructures, published in Raabe
D.(editor) et all, Continuum Scale Simulation of Engineering Materials
Fundamentals - Microstructures - Process Applications, Wiley-VCH 2004
[31] Chong K. P., Nano science and engineering in mechanics and materiale,
Rev.Adv.Mater.Sci. 5, 2003, pp110-116
[32] Chong K. P, Nano science and engineering in mechanics and materials by
Division of Civil, Mech. & Manufacturing Innovation, NSF, Arlington, USA Plenary
Lecture during MATERIAIS Conference, Lisbona 2009
[33] Majchrzak E., Mochnacki B., Identification of Thermal Properties of the System
Casting-Mould, Materials Science Forum, Vols. 539-543, 2007, pp. 2491-2496
[34] Praca zbiorowa, Quikcast, materiały firmy ESI, 2005
[35] TopSolid CAD/CAM, Missler Software, 2004
[36] Jolly M., Casting simulation: How well do realisty and virtual casting match?
State of art. review, Int. J. Cast Metals Res., 2002, 14, 303-313
[37] Höhne G., Hemminger W., Flammersheim H.J., Differential Scanning
Calorimetry, Springer-Verlag, Berlin, 1996
[38] Lide D.R., Handbook of chemistry and physics, CRC Press, 2000
[39] Davis J.R., Metals handbook, ASM, 1998
[40] Goldsmith A., Waterma T., Hirschbaum H.J., Handbook of thermophysical
properties of solid materials, ARMOUR Research Foundation, 1961
[41] Touloukian Y.S., Ho C.Y., Thermophysical Properties of matter, 13 Volumes,
IFI/Plenum, New York-Washington, 1970 to 1975
[42] Maglie K.D.,.Cezairhyan A, Peletsky V.L., Compendium of Thermophysical
Property Measurement Methods, Volume 1: Measurement Techniques, Plenum
Press, London, New York, 1984
[43] Smithells C.J., Brandes E.A., Metals reference book, Butterworth, London,
Boston, 1976
[44] Elliot J.F., Gleister M., Measurements of Steelmaking, Pergamon Press Oxford,
1963
38
[45] Bauccio M.L., Metals Reference Book, ASM, 1993
[46] Rapp R.A., Techniques of Metal Research Volurne IV Part 2. Physiochemical
Measurements in Metals Research, Interscience publishers a division of John
Wiley, New York, 1970
[47] Maglie K.D., Cezairhyan A., Peletsky V.L., Compendium of Thermophysical
Property Measurement Methods, Volume 2: Recommended Measurement
Techniques and Practices, Plenum Press, London, New York, 1992
[48] Hultgren R., Selected Values of Thermodynamics, John Wiley, New York, 1963
[49] Iida T., Gutherie R.I.L., The Physical Properties of Liquid Metals, Clarendon
Press, Oxford, 1988
[50] Shackelford, Alexander, Park, Materials Science and Engineering Handbook,
CRC Press, 1994
[51] Beszterda B., Wizła M., Ignaszak Z., Database in the Magmasoft simulation code
– user experience, IV International Symposium Modeling Of Casting and Foundry
Processes, 1999
[52] Braun J.-D., 1990/1998, huit années de simulation de procédés en fonderie.
Hommes et Fonderie, no 282, 1998
[53] Ignaszak Z., Baranowski A., Projektowanie i stosowanie otulin typu Sandwich do
usprawniania pracy nadlewów, Krzepni cie Metali i Stopów, z.25, wyd.PAN,
Katowice 1995, str.41-46
[54] Ignaszak Z., Hueber N., Sensibilité du modèle de simulation numérique à la
qualité des données thermophysiques. Homme et Fonderie, no 318, Paris,
novembre 2001, pp.41–45
[55] Ignaszak Z., Termofizyczne parametry materiałów izolacyjnych w
zastosowaniach do projektowania zasilania odlewów i symulacji ich krzepni cia,
Solidification of Metals and Alloys, 1999, vol.1, Book no 40, pp. 125–131
[56] Szreniawski J., Piaskowe Formy Odlewnicze, WNT, Warszawa, 1968
[57] Rzeczkowski M., Analiza zjawisk cyrkulacji wody w wilgotnych formach
piaskowych pod wpływem temperatury, Zeszyty Naukowe WSIn , nr 47
(monografia), Zielona Góra, 1977
[58] Chowdiach M.P., Giesserei 19, 1971, pp. 582–590
[59] Marek C.T., Modern Casting, nr 2, 1968
[60] Szmigielski T., Moisture of mould in condensation zone. Arch. Foundry 3(10),
2003, pp. 249–254
[61] Szmigielski T., Zjawiska towarzysz ce strefie przewil onej w wilgotnych formach
piaskowych nagrzewanych jednostronnie, Proceedings of X Foundry Conference
TECHNICAL, 2007
[62] Szmigielski T., New version of a stand for testing resistivity of damp moulding
sands, Archives of Foundry, Volume 6,
22, 2006, pp 526–531
[63] Mirbagheri. S. M. H., Modelling of metal–mould interface resistance in the Al11.5 wt.% Si alloy casting process. International Journal of Materials Research,
2006
[64] Vijayaram T.R., Sulaiman S., Hamouda A.M.S., Ahmad M.H.M., Experimental
determination of heat transfer coefficients during squeeze casting of aluminium,
39