Simulace ve slévárně

Text Vlasta Piskačová, Foto Archiv MECAS ESI TECH EDU 1 / 2015

Všichni známe slovo „simulant“. Je to někdo, kdo často a rád předstírá. Většinou nemoc, aby se vyhnul nějaké nepříjemné zkoušce nebo písemce. Ale co bychom si měli představit pod pojmem „numerická simulace“? A navíc ve slévárně?

Pokud narazíte na pojem „numerická“, většinou jde o spojení s počítačovými programy. V minulém čísle TECH EDU jsme se, v souvislosti s moderním obráběním, zmiňovali o programech CAD, které umí kreslit technické výkresy součástek, a to ve 3D. Na ně pak navazují programy CAM, které už nastavují obráběcí stroj a ten danou součástku sám vyrobí. Ale ne všechny součástky se zhotovují obráběním. Dnešní téma je slévárenství, tedy výroba odlitků. Nebudeme se podrobně zabývat různými způsoby odlévání. Je jich příliš mnoho. Vždy je však nutno roztaveným kovovým či nekovovým materiálem zaplnit připravenou formu. Často používanou metodou je odlévání do pískových forem. Formy jsou vytvořeny ze speciálního písku, který je „slepen“ pojivem. Tím, že byl v písku vložen dřevěný model budoucího odlitku, zůstává v něm po jeho vyjmutí přesně vytvarovaná dutina, do níž se pak lije roztavený materiál.

Na pokusy a omyly není čas

Ve slévárnách se zhotovují odlitky nejrůznějších tvarů a velikostí, zákazníci chtějí, aby byly velmi kvalitní a také rychle vyrobeny. Materiály i lidská práce jsou však příliš drahé na to, aby se při výrobě takového odlitku několikrát za sebou zkoušelo, jestli bude všechno v pořádku, a ty „nepovedené“ kusy se vyhazovaly. Hodně lidí by tak marnilo svůj čas a výroba by vlastně stála. To si dnes žádná slévárna nemůže dovolit.

A právě tady přicházejí na řadu simulace. Vypravili jsme se do firmy MECAS ESI, která takové simulační programy už řadu let vytváří, a pomáhá tak slévárnám po celém světě k lepším výsledkům.

Program načte výkres i materiál

Představte si počítačový program, který do sebe dokáže „nahrát“ výkres budoucího odlitku ve 3D. A může to být třeba lopatka obrovské turbíny, ozubené kolo nebo odlitky nejrůznějších složitých tvarů. Ještě než se spustí výpočet, nastaví technolog v tomto programu spoustu vstupních informací. Nejprve vybere materiál, a to z rozsáhlé databáze, která je už součástí tohoto softwaru. Jsou tam uloženy nejrůznější materiály a také jejich termofyzikální data. Tedy čísla, která říkají, jak se bude materiál chovat za různých teplot. To je pro technologa ve slévárně velmi důležité, protože pracuje s roztaveným materiálem a musí přesně vědět, co od něj může čekat při samotném lití, ale také při jeho tuhnutí. Další vstupní hodnoty, které technolog vkládá do programu, jsou pak materiál formy, typ tzv. chladítek, jaké zařízení se při odlévání používá, jaká je tam teplota, jakou rychlostí roztavený materiál do formy teče.

Co výpočet říká?

Poté si v programu technolog nastavuje, co všechno bude chtít při výpočtu, tedy při simulovaném odlévání, sledovat, které výsledky potřebuje získat. Budou to hlavně údaje o plnění formy, především to, jestli materiál doteče do všech jejích částí, i do těch nejostřejších rohů nebo malých výstupků. Tomu se říká zaběhnutí. Sleduje také, jak materiál tuhne a jestli nevznikají na některých místech vady. Vidí, jestli se během tuhnutí odlitek nedeformuje, jaká je jeho kvalita na povrchu i uvnitř a jaké bude mít výsledné vlastnosti, tedy zda nebude příliš křehký, jak bude pevný, odolný, a také jaká bude jeho vnitřní struktura.

Odlévání „na zkoušku“ odhalí všechny problémy a vady včas

Umíte si představit, jak je pro technologa důležité, když tímto způsobem odhalí všechny vady, které by mohly v odlitku vzniknout? Kromě neúplného „zaběhnutí“ materiálu do všech zákoutí formy to mohou být také místa, kde by zůstal uzavřený vzduch. Během plnění formy dochází také k oxidaci, a ta se musí hlídat. Pokud materiál teče do formy příliš rychle nebo příliš pomalu, má to vliv na spoustu věcí, může získat nevhodnou vnitřní strukturu a výsledný díl nebude mít dobré vlastnosti. Při tuhnutí materiálu je zase pro technologa důležité vědět, jak moc se odlitek smršťuje, jestli jeho výsledný rozměr nebude špatný nebo jestli se v něm během tuhnutí nevytvoří trhliny. V odlitku může také zůstat pnutí, které by pak mohlo způsobit selhání součástky v provozu.

Někdy se musí změnit i výkres

Všechny výsledky simulace pomohou technologovi, pokud to je potřeba, upravit proces odlévání. Může změnit teplotu, rychlost plnění formy a řadu dalších parametrů na základě svých předchozích zkušeností. Pokud se ukáže, že je potřeba součástku navrhnout jinak a změnit její konstrukci, může technolog snadno ukázat zákazníkovi simulaci ve svém notebooku a probrat s ním potřebné úpravy.

Simulace jsou dnes ve slévárnách běžné

Být technologem ve slévárně je velmi zajímavá a zodpovědná práce. Technolog, který pracuje se simulačním programem, musí mít určitou znalost o 3D CAD modelování, znalosti o materiálových vlastnostech, znalosti z fyziky. Měl by dobře znát slévárenskou technologii a být otevřený novým věcem, protože i v tomto oboru běží vývoj mílovými kroky.

Virtuální realita je v různých oborech

Ve firmě MECAS ESI jsme se však dozvěděli, že simulační programy nejsou jen pro slévárny. Numerické simulace se dnes používají v mnoha různých odvětvích. Například v automobilovém průmyslu umožňují virtuální crash testy automobilů vyladit všechny parametry nově navrženého modelu vozu, v energetice se zase například simuluje větrná elektrárna a zkoumá se, zda nevznikají nějaké vibrace nebo hluk.

Virtuální realita se stala pro mnoho průmyslových oborů běžnou součástí vývoje a výzkumu. Dnes už se virtuálně nejen zobrazují, ale také důkladně prověřují konstrukční návrhy, virtuálně se plánují celé výrobní haly, montážní postupy, ale také samotný prodej výrobků. Odborníci nasadí speciální 3D brýle a mohou společně diskutovat nad konkrétními díly nebo postupy, které se jim ve virtuální realitě promítají.