本資料では、Siemens社の流体解析ソフトSimcenter AcuSolveと、個別要素法解析ソフトSimcenter EDEMによるCFD-DEM連成解析として、シェルモールド工法の事例を紹介します。
シェルモールド工法は、寸法精度が高く、薄くて硬い砂型を作る鋳造技術です。加熱した金型に、樹脂で被覆した砂粒子(樹脂被覆砂)を圧縮空気で吹き込みます。金型の熱によって樹脂が硬化し、金型の形状に沿って砂粒子同士が結合します。所定のシェル厚さが形成されたタイミングで、未硬化の余分な砂粒子を排出します。
複雑な形状や精密さが求められる中子(自動車のエンジン部品や油圧部品等)の製造等に広く利用されています。
一方で、細い通路や複雑な金型の場合、粉体が金型全体に到達せず、未充填の領域が発生してしまう等の問題が発生します。シミュレーションソフトを活用することで、未充填の発生状況の予測や、適切な充填プロセスの検討が行えます。
図2-1に、モデルの概要図を示します。計算は、粒子間の付着力を変更した2ケース実施し、金型内の粉体の充填状況を比較します。なお、本解析では粒子充填挙動を対象とし、樹脂の溶融・硬化は考慮していません。
| ケース名 | 湿潤状況 | 補足 |
| ケース1 | 湿り気なし | |
| ケース2 | 湿り気あり |
JKRモデルで粒子間の付着力を考慮 |
計算に使用した物性値を以下に示します。
◆空気（Simcenter AcuSolve）
密度：1.225 kg/m3
粘度：1.781×10-5 Pa・s
◆粒子（Simcenter EDEM）
形状：球体(近似)
粒子数：200,000
反発係数：0.2
静摩擦係数：0.5
転がり摩擦係数：0.01
図3-1にキャビティ内の流跡線を、図3-2に代表断面における流速のコンター図を示します。
図3-3に、ケース1と2の、キャビティ内に砂が充填される様子を示します。
ケース１
図3-3 キャビティ内に砂が充填される様子
※動画内の「Altair EDEM」は、「Simcenter EDEM」に名称が変更されました。
金型内に砂粒子を吹き込むCFD-DEM連成シミュレーションを行いました。
付着力の無いケース1では、キャビティ内に粒子が充填する結果となりました。
付着力のあるケース2では、一部の領域に未充填領域が発生しました。
シミュレーションソフトを活用することで、流入口の形状や、風速、粒子の湿潤状況等、様々なケースを想定した粉体の充填状況を事前に確認することができます。また、計算条件は簡単に変更できるため、適切な成形工程の検討も行えます。
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