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变壳型厚度和热导率的设计方法
T.A.Le n_el1amp;P.Mognol1amp;J.Y.Hasco_t 1
收到日期：2017年9月4日/接受日期：2018年4月26日/在线发布日期：2018年5月30日
#国际焊接学会2018
摘要
添加剂制造（AM）据说是第四次工业革命，它扰乱了制造业。重点研究了铸造行业的需求，特别是砂型铸造工艺。添加剂制造在这一领域的应用需要一种不同的模具设计方法。事实上，利用AM和铸造的优势是很重要的。模具的制作方法是喷胶技术。添加剂制造几乎无限的设计可能性适用于金属铸件的砂型铸造。提出了一种优化砂型设计的新方法。这种优化将砂量减少到最低需求，这相当于一个外壳。然后对外壳进行参数化，以获得特定的冷却速度。在这种情况下，冷却速度可以通过修改导热系数和外壳来改变厚度。冷却速度与枝晶间距有关，枝晶间距决定了材料的力学性能，如极限拉伸强度和硬度。冷却模拟支持了模具设计方法。
关键词：添加剂制造；铸造；粘合剂喷射；砂型；优化；数字频率调制
1引言
添加剂制造是一种新技术，它是一种层层添加材料的新技术，对铸造工业产生了巨大的影响。铸造是一门将液态金属倒入型腔，并使液态金属在受控环境中冷却至室温的技术。通常情况下，在砂型中放置冷却装置，以便在某些地方进行优先冷却。
模具是一大块带有印记的沙子。传统的砂型铸造工艺使用模板和松散的沙子混合粘合剂来制造印记。将砂子压在模板周围，然后激活粘合剂，使砂子凝固。然后删除模板，从而创建制造约束。其他制造技术也是可能的。
印记可以是用一块沙子磨出来的，也可以用模具来实现。这种工具可以在解构过程或壳体铸造中找到，见图1。在某些应用中，砂子被一种比铸造金属熔化温度更高的材料所代替。压铸可以用传统的技术，如铣削和更具创新性的选择性激光熔化（SLM）工艺来制造。SLM具有生产具有内部冷却通道的复杂结构的优势，但尺寸公差为plusmn;0.1 mm似乎不符合要求公差为plusmn;0.05 mm的压铸标准。可以在机器水平上进行改进，这样可以改进熔化过程或在喷丸精加工步骤[2]。
添加剂制造设计（DFAM）是一个相对较新的课题，因为添加剂制造只有30年的历史。在DFAM中，就像Ponche等人。也就是说，B目的不是通过零件形状的初始概念来限制几何结构，而是仅从制造工艺和功能规范来定义几何结构。虽然在这种情况下，我们不是在优化最终零件的几何图形，而是在优化工具。工具几何图形是部分设置的，因为我们要构建特定的零件几何图形。这种方法也称为间接添加剂制造，因为AM的目的是制造工具[3]。
所提出的方法类似于现有的壳体成型实践。其新颖之处在于壳体的设计方法和尺寸标注的标准。减少模具厚度的目的是通过添加剂制造来减少制造此类模具所需的时间，通过减少材料消耗来降低成本，并全面控制铸造合金的凝固速度以提高质量。
提出了根据所需的局部力学性能改变模具性能的创新工艺。零件的几何结构、金属性能和工艺参数与枝晶臂间距之间存在着联系，枝晶臂间距与机械性能之间存在着联系。在冷却过程中，外壳的厚度不变会导致模具的热耗散差异。当厚度不变时，可能导致枝晶臂的不均匀再分。
壳体厚度是根据特定的冷却速度确定的。冷却速度取决于铸造件的厚度、零件的尺寸以及模具的热性能和几何性能。这个零件越厚，冷却速度越慢，因为需要将更多的能量转移到模具中。
由于零件可能具有复杂的几何结构，因此可能在不同的位置以不同的速度冷却。因此，有助于零件在整个过程中以恒定速率散热是很重要的。恒定速度不太容易出现铸造缺陷。
铸件凝固的速度决定了模具的质量。金属零件的质量由其机械性能（如极限拉伸强度或硬度）决定。这些力学性能取决于晶粒尺寸，更具体地说是枝晶臂间距。
事实上，冷却速度越快，枝晶臂间距越小。随着枝晶间距的减小，金属变得越来越硬。因此，重要的是能够有小的枝晶臂间距。
在这种情况下，额外制造的模具由具有保持自身所需机械性能的壳体组成。为了保持形状，可以将背衬材料放在结构后面。背衬材料可以是金属颗粒、砾石、松散砂或带有粘合剂的砂，在这种情况下，可能需要养护步骤。在优化过程中，烧瓶和背衬材料也应建模。
模具优化过程中需要一个反馈回路。优化涉及多个铸造模拟和应力参数优化，从而自动生成具有所需机械和热性能的模具。因此，在模具设计中，对铸件进行模拟是非常重要的。
2最新技术
根据《拓扑优化：理论、方法和应用》一书中弯曲e和sigmund的工作，各向同性材料的再分配分为参数化、形状和拓扑优化三个不同的类别。本文的工作是参数优化，即根据约束条件确定零件尺寸的科学。在这种情况下，如图2所示的桁架将根据约束条件的大小而变化。柔度可以是峰值应力、挠度或其他一些物理特性。参数参数（如尺寸（如长度、高度或厚度）或特性（如热导率）可以改变。形状优化具有设计空间的概念。
形状具有设计和非设计空间。在形状优化中，为了获得均匀的应力分布，对整体形状进行了优化。这一特征试图消除应力集中。拓扑优化具有最大的设计自由度。定义了一个设计空间，使算法添加或删除材料以及不能删除或添加材料的非设计空间。这种优化通常会产生最佳的投诉结构[4]。
这项研究不同于2011年Chhabra和Singh的工作，他们在研究减少用ZCAST快速黄铜铸造溶液制造的外壳模具壁厚的可行性。墙的厚度从12 mm开始，获得的最小可铸壁为2 mm。结果表明，制造时间减少了56.45%，同时尺寸精度符合标准UNI EN 20286-I（1995）[5]。但未观察到冷却速度和力学性能。
Sun等人。2012年，SR改性A356铝的壁厚与力学性能之间存在相关性。为了分析石英砂、氧化铝砂和铬铁矿砂对最终铸造件的影响，对三种不同类型的砂进行了试验。改变模具壁厚，观察其对力学性能的影响。砂的冷却能力取决于热导率和热容。结果表明，预测枝晶臂的最终力学性能和反向计算枝晶臂间距是可行的。研究表明，冷却速度越快，共晶硅的晶粒尺寸越小，枝晶臂间距越小，共晶硅的粒径越小。冷却速度确实与壁厚和热系数有关。铬铁矿的冷却速度比三种测试砂快。这个壁厚从8到40毫米不等。枝晶臂间距和延伸率取决于所用砂的类型。根据所用砂的类型，必须使用不同的回归方程[6]。本文未提及粘合剂的类型及其影响。这篇文章也没有着重于降低壁厚的效率方面。
Lu_i_等人所做的工作。2015年对真空铸造用ABS模具的研究表明，模具的优化是基于变形极限准则。这减少了设计3D打印工具所需的材料量。下图（图3）表明结构需要智能设计，以减轻重量并保持可接受的变形[7]。
这种优化不仅减少了材料消耗量，而且还减少了建造它所需的时间。此外，还研究了蜂窝结构与交叉结构的内部结构设计的关系。相同的内部厚度为1 mm，间距为20 mm的建造参数，材料消耗大致相同。由于需要较少的转弯，因此，横截面的建造时间稍微快一点，从而减慢速度。
镁等不同合金的冷却速度会影响压铸件的力学性能。研究发现，随着冷却速度的增加，镁合金的晶粒尺寸减小，硬度和极限强度提高[8]。分析的冷却速度在0.6至2.6 k/s之间。
阿基尔等人。探讨了断面尺寸对A356铝在砂型铸造过程中冷却速度、组织和力学性能的影响。研究发现，断面尺寸的减小对冷却速度，因此对机械性能的影响，如硬度和极限拉伸应力[9]。0.067 k/s（20 mm截面）的冷却速度比0.0167 k/s（80 mm截面）的冷却速度具有更好的机械性能。较厚的截面会导致较长的冷却时间。结果表明，截面尺寸（与冷却速度相关）导致不同的极限拉伸应力，如图4所示。
在压铸应用中，ac alsi9cu的冷却速度与二次枝晶臂间距和晶粒尺寸也存在相关性[10]。分析中的冷却速度由0.16到1.04K/s之间的值组成。1.04K/s的冷却速度使晶粒尺寸和金属间化合物变小，提高了硅改性水平。
金属的凝固是在特定的时刻进行的。图5说明了合金AlSi9Cu的冷却速度。
图5显示了三种冷却速率：液态合金冷却速率、糊状合金（液固混合）冷却速率和固态冷却速率。糊状阶段开始于td（~602°C），结束于te（~561°C）。这两点之间的冷却时间很重要，因为这是晶体生长的时刻。这一时间越短，枝晶臂间距越小。到达TD所花费的时间有点重要，稍后将对其进行解释，而在TE之后所花费的时间则无关紧要。冷却速度是这些点的温度差除以所花费的时间。压铸模和砂型铸造模中合金的冷却速度存在差异。观察到系数为40，压铸件为2.6 k/s，砂型铸造为0.0667 k/s（20 mm截面）至0.0167 k/s（80 mm截面）。因此，凝固时间或冷却速度很重要。
3方法论
提出的方法涉及两个条件，必须成功地满足，以有一个健全的模具。首先，模具应能在浇注过程中保持自身。其次，它应该有一个理想的热传递速率。该方法在图6中合成。
三维零件文件可以是需要铸造的零件的任何三维表示。将3D文件转换为适当的格式以进行优化。
用户选择包括选择零件所需的质量，如硬度和极限拉伸强度。这些品质可以是全球性的，也可以是地方性的。局部质量推断铸造零件的不同部分可能需要不同的局部机械性能。不同的局部力学性能有助于设计具有较弱区域的理想失效机制。这些区域可以形成故障线。
选择质量后，用户可以选择合适的材料。材料选择包括可浇铸金属和合金。一旦选择了零件的材料和质量，用户就需要选择合适的成型材料。实际上，不同的用户可以访问不同的材料。材料选择可能受机器类型的限制，预算、环境限制或用户偏好。模具材料包括结构砂、粘合剂、添加剂和背衬材料。
在输入足够的数据后，该算法可以根据模具的材料强度和几何尺寸对最小壁厚进行第一次检查。从结构优化开始，根据材料强度找到最小壁厚，是确保找到最薄壁厚的最佳方法。强度分析验证了模具是否具有最小壁厚，而不会由于金属静压甚至自身重量而失效。
优化的结果使下一次优化更加容易。如果选择整体质量，以下优化包括确保在铸造过程中整个零件均匀冷却。整个模具的热系数不应相同，因为由于几何结构的变化，模具的某些部分会比其他部分冷却得更快。这就需要在模具的某一部分具有较慢或较快的冷却速度和较厚或较薄的外壳厚度。
为了找到最佳的解决方案，需要对铸造模拟进行几次迭代。优化以积极的方式改变壁厚。只能添加材料。这样可以确保模具仍然保持其形状。
最后，文件以可解释的数据格式导出到3D打印机。
所提出的方法可确保模具足够坚固，并可控制热冷却。添加剂制造为微调这些参数提供了独特的可能性，这些参数自6000年前铸造开始以来是不可能的。
4仿真
采用简单的形状来评价该方法，模拟铸件为平行六面体形状。下面的图表，测量参考零件的leas问题是1d和对称。改变模具的尺寸以观察其影响。边界厚度随结果的变化而变化，如果是空气，例如，当边界层被制成时，结果会发生变化，因为水具有更高的热容量，所以这里不包括这一点。
以下假设是在表述过程中出现的：
amp;不考虑金属的相变。
amp;热性能和机械性能与温度无关。
amp;导热系数是近似值。
amp;热对流值是任意的。
amp;研究了一种特殊合金（AlSi7mg）。
amp;模拟的是一个平行六面体。
amp;不考虑辐射。
amp;测得的温度点在模具中部。
amp;改变冷却速度将改变冷却极限（td和te）。
铸造材料为铝，这些参数amp;rho;=2685 kg m3
amp;Cp=963 J Kminus;1千克minus;1
amp;K=237 W mminus;1 Kminus;1
含SiO2的砂模：
amp;rho;=1600千克立方米
amp;Cp=750 J Kminus;1千克minus;1
amp;K=0.7 W mminus;1 Kminus;1
模具的边界层与空气接触：
amp;rho;=1.0千克立方米
amp;Cp=4185 J Kminus;1千克minus;1
amp;K=0.6 W mminus;1 Kminus;1
模拟中使用了Comsol 5.1.0.136 Multiphysicsreg;软件。
4.1传导
模拟了仅使用热传导方面的第一种方法。
4.1.1改变零件厚度
为了理解铸造过程中的所有热效应，所有变量必须逐个改变。首先要研究的是零件的厚度。通过改变零件的长度进行分析。长度从2毫米变为16毫米。模具厚500毫米。这种厚度的重要性将在后面解释。
如图7所示，较厚的部件将冷却得更慢。这意味着，如果铸造厚度不同的零件，金属零件的某些区域将以不同的速度冷却。不同的速度会产生残余约束，并可能导致一些铸造缺陷。这就是为什么铸造零件的设计指南要求零件厚度恒定的原因。
4.1.2改变模具厚度
研究发现，改变模具厚度有助于更快地冷却模具。这是正常的，因为冷却速度由导热系数控制。厚度的变化确实改变了饱和点。在某种程度上，霉菌不能储存更多的卡路里。
如图8所示。
可以假设，机械强度很高，这将导致超薄壳体的设计。但是如果模具不能储存热量，那么如果不考虑对流，熔化的金属将保持熔化。需要拿出足够的热量来冷却模具到某一点。每个合金的凝固点都不同。一旦金属或合金是固体，那么对晶体结构的影响就会小得多。实际的现场测试需要验证，在某一点之后，壳体的减薄将产生反作用。
最小值或边界限制由模具热容量和金属热容量的平衡值设定。启动温度影响热储层。如果环境温度较低，模具将具有更大的储能能力。相反地，随着金属的熔化温度，温度越高，模具所需的厚度就越大，以适应额外的能量。
厚度确实在模具冷却速度中起作用，直到某一点。发现在一定厚度后，冷却曲线是相同的，见图9。饱和温度大致相同。实际上，与模具的厚度相比，零件的厚度要小得多。
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