解析手順

これからの解析手順に付いて説明します。ひととおり解析する事を目的として基本モデルを解析してゆきます。
１）金型の平衡温度分布を求めます
金型の初期温度を与え、溶湯の流動を考慮せずにキャビティに瞬時充填させ、溶湯を凝固させます。通常のダイカストでは
射出=>冷却=>型開き=>製品取出し=>スプレー=>エアブロー=>型開き=>型締め
の工程が繰り返し実施されます。解析に於いても、湯流れを計算しないまでも、瞬時充填で代用する事により、この工程を繰り返し実施する事により、金型の平衡に達する温度分布を求める事が出来ます。
２）湯流れ計算
１で求めた平衡金型温度の中を溶湯が充填されてゆきます。この時、溶湯の温度を平衡金型温度との熱のやり取りで計算してゆきます。最終的には充填完了時点での溶湯温度を求める事が目的となります。
ダイカストの場合は、一般的に充填時間は１秒以下の出来事ですので、余り金型温度の変化を考える事無く表面温度で熱流速を決めて計算する事になります。しかし、これより充填の遅い例えば重力鋳造等では、溶湯の充填の共に、金型温度の計算も実施しています。
湯流れ過程では一般的に空気の巻込みが起こります。巻込まれた空気は凝固するとき、ポロシティの核になり欠陥を発生させます。これらは次の凝固解析へと結果が引き継がれます。
３）凝固計算
１で求めた金型平衡温度及び、２で求めた充填完了時の溶湯温度を初期値として、凝固計算を実施します。この凝固計算時にポロシティ（欠陥）の直接予測も実施します。
４）変形解析
３で求めた凝固計算より、製品温度の時間変化が求まります。これを基に製品の変形や発生する応力を予測します。これにより凝固割れ、変形不良等の解析をする事が出来ます。
今回は全体の説明ですが、次回よりその結果に付いて順次示してゆきます。
あくまでも今回示したのは幹の部分ですので、この幹の部分の後に枝葉の部分を説明してゆきます。

メッシュ切り

図に示すのは、CAPCASTでメッシュを切った製品部分と、固定型、鋳抜きピンの部分を示しています。
なんだか変だと思いませんか？製品と固定型の部分でメッシュの大きさが不揃い！？そうなんです。
CAPCASTでは、金型と製品との間を温度マッピングで上手く調整し、このような不揃いなメッシュでも解析できる様になっています。前回有限要素メッシュを、金型、入れ子、冷却、製品など同時にメッシュ切りするのが大変だと書かせてもらいました。
例えば射抜きピンの冷却が有ったとします。これは鋳抜きピンに比べて当然経常的には小さくなります。従って、冷却部分の形状をしっかり出す為には他と比べて、小さな大きさでのメッシュ切りが必要となります。その結果メッシュをそろえる為に、鋳抜きピンの冷却に関係する部分がメッシュが小さくなり、その外にある金型部分のメッシュも小さくなる。こんな縛りがあちこちから発生する。その結果、こんなに詳しくしなくてよい金型のメッシュがどんどん小さくなる。出来上ってみるとメッシュの数が大きくて計算がパンクする。と言った具合でメッシュ修正に頭を悩ます事となります。
不連続メッシュが扱えると、小さな部品は細かく、大きな部品は粗くといったそれぞれに適したサイズでのメッシュ切りが可能で、計算効率も良くなります。

メッシュ切り

CAPCASTを用いて自動メッシュ切りをした結果を示します。CAPCASTは有限要素法を用いたソフトですのでFEMで示されるメッシュを用います。製品ボス部及び射抜き穴部分を示していますが、形状再現性に優れています。
一方差分方ではFDMで示されるメッシュを使用します。ご覧の様にさいころを積み上げた様な形状となります。さいころの大きさをどんどん小さくすれば、それなりに形状再現性は良くなります。
FDM_Hybridと言われるものが有ります。これは、湯流れを計算させる場合FDMメッシュでは流体がごつごつしたサイコロにあたり、なんだか変な流れになりそうな事が予想されます。そこで、ごつごつした部分に四面体（三角錐）を付加し、表面を滑らかに擬装させたものです。しかし、この四面体の部分はFDMより後付けされる場合が多く、当然体積としてはFDMよりも増加する事になります（ご注意を）。
体積比較からすると、やはり形状再現性の良いFEMのモデルが最も良い結果を示すと思われます。
鋳物解析の場合の、メッシュ切りの難しさは、製品部分だけではなく、金型、冷却を含めてメッシュ切りをしなくてはならない事です。CAPCASTでは前段階でのSTLファイルをしっかり作っておけば、比較的簡単に製品、金型、冷却等のメッシュ切りが自動で出来、この工程での時間短縮が図れます。

モデルの確認

さて、３DCADモデルが出来るとこれを用いて、CAPCASTで必要なSTL形式に変換します。STLは空間での３点で一つの三角形を形成し、これを用いて３D立体の表面を表す形式です。今回のモデルは非常に簡単なモデルですから、画像中の単純な三角形の集合体となります。
CAPCASTで使用するSTLには結構厳密なところがあり、面間の隙間、重なり、穴等の不具合を事前に修正対処しておく事が必要です。このために私の所ではMAGICSを使用しています。MAGICSは各種の不具合に付いて検出してくれると同時に、ある程度自動で検出した不具合を修復してくれます。しかし、それでも駄目な時は、やはり力仕事になります。
画像はMAGICSの検証の為の画面です。
修正対処して、正常なSTLになった後、これを基にCAPCASTの自動メッシュ機能を用いて有限要素法のメッシュを作成します。

モデル作成

製品形状及び方案に付いては前回完成しました。これだけでは充填解析のみしか出来ません。凝固解析を実施する為に、金型の部分を作らねばなりません。固定型、可動型をそれぞれブロックで作成し、前回作成した製品及び方案部分からブーリアン演算でくりぬきます。これで代替の型値は出来ました。次にボス部の鋳抜き穴を作成します。鋳抜きピンを作成して、ついでにこの鋳抜きピンの中に冷却部分、またボスの周囲に４カ所冷却を作成しておきます。冷却部分は射抜きピント同じですが、材料設定のときに水を設定します。

モデルの作成

気分一新。
こればかりで申し訳有りません。
今回から、詳細に手順を追って解析を進めたいと思います。

まずモデルを作らねばなりません。当然３Dモデルになります。私の所ではSolidWorksを使っています。どんなモデルにするか？皆さんの所ではお客様からの図面（２次元の紙で書かれたもの、または２DCADデータが多いと思います）を基にして製品図を起こさねばなりません。製品図が出来ると、これを基に素材図の検討に入ります。素材図の段階で所謂ノーハウを織り込んで実際鋳造した場合に欠陥発生が無い様に形状変更、加工部分の設定、方案の検討を行います。
本来CAEはこれらの部分を補完する為のもので、有効に使う事でノーハウの伝承すなわち認識知を集積する為のツールとなります。（この話はまたの機会に）
今回の解析では平板にドッチリしたボスが付いた製品を検討します。ボスが大きいと、この部分で欠陥が発生する事が期待出来ます（！？）。
製品にゲート方案、及びオーバーフローを取付けた、すなわち溶湯が充満してゆく領域を製品部として３DCADで定義します。今回の解析ではスリーブからの充填挙動を解析するのではなく、ビスケット端より溶湯が充填されてゆく解析を実施します。図に製品モデルを示します。

コップ

他の結果表示をしてみましょう。溶湯の温度表示です。コップに移した様等は約９０度温度が低下する事が判ります。
コップ壁面からの冷却により、コップ中央部へ向かって冷却が進む様子が見えます。結構温度分布を持っています。
結果を出すのに少し焦ったしまいましたので、次回はもう少し手順詳細で行きましょう。

コップ

前回の３DCADを基に形状STLファイルを作成し、メッシュを作成したものを示します。（内部が良く判る様にコップの部分は省略してあります）初期溶湯が入っている青色（１）の部分が約１５Kメッシュ、その上の空の部分緑色（２）が約１９Kメッシュ。溶湯を受ける空の領域赤紫（３）が約３１Kメッシュ有ります。有限要素法を用いるため形状再現性が良いのが特徴です。ここで表示したメッシュは全て溶湯が動きうる空間を定義しています。また、CAPCASTでは自動メッシュ機能が付いており、型の部分と合わせて短時間で良好なメッシュモデルの作成が可能です。手間がかかるのがSTLファイルの修正の様です。
さて、流動解析の結果を動画で示します。

コップ

さて、まずコップモデルの作成が必要です。今回のモデルはコップで注湯するので、いわゆる傾転鋳造と同じです。溶湯の入ったコップが順次回転して内部の溶湯を空のコップに移す事になります。
空のコップ、溶湯の入ったコップ、とコップからコップへの溶湯移動する空間の３種類をモデル化する必要が有ります。
作成したモデルを画像で示します。ピンク色の部分が空のコップです。銀色の部分が溶湯の入ったコップの溶湯部分で、緑色の部分が溶湯の入ったコップのからの部分です。青色の部分が二つのコップを連結する連結部分で溶湯が流れる部分となります。この他にコップの部分を作成してあります（画像には表示させていません）。
何かおかしい。そうです、溶湯の入ったコップが既に９０度傾いている！？
計算上溶湯の入ったコップ、及び連結部分には傾転鋳造を想定して重力が時間変化してかかる設定になります。結果表示はこれに呼応してコップ及び連結部が傾転する様になっています。計算としては−９０度から０度へ回転すると指定します。すなわち、画像に示しているのは最終状態で、初期はこれより−９０度の場所になります。この時、溶湯充満部は初期用と言う充填領域として妥当な領域となります。
明日はこの充填挙動結果を見てみましょう。

コップ

CADの話ばかりでは面白くないので、ここらでCAEのサンプル作りをしてみましょう。
と言っても、今からサンプルを作るのでご容赦をm(_ _)m
まず最初のサンプルはと、、、
コップから、コップへ液体を注いでみよう！
具体的なイメージは、鋳物の解析を生業としているので「溶湯を取鍋（とりべ）より型へ注湯する」をイメージしています。今回は具体的に液体をアルミ材として取鍋（とりべ）は断熱性の優れた材料、型はSKD61として計算してみましょう。作業が進む順番で次回以降報告してゆきます。乞うご期待？

3D-CAD（３）

金型の面データを用いて鋳物ブロックからカットアウトする場合、面データをSTLデータとしてMagicsを用いて実施している。金型面データがしっかりしていないと、カットアウト出来なくなる。例えば、面が交差していたり、面が重複していたりと結構すんなりとは行かない。MagicsはSTLの論理演算とSTLの修正、問題チェック、またある程度自動で問題のあるSTLを修正してくれるが、最終的には人で作業で、力技。
金型の面修正が終わると、いよいよ鋳物ブロックから製品部の切り出しを行う。
金型鋳造した製品には時として鋳ばりが発生する（これが普通）。しかし、３Dモデルにも鋳ばりが発生する。これ信じられますか？
金型データは、金型が高温になったとき隙間が空かない様に若干小さく作ってある部分が有る。この事による隙間にカットアウトされた鋳物が残る。鋳ばりの様に！？また、鋳抜き部品で貫通部が有ったりすると、そこに膜ばりが発生する。まさに、実物の鋳物と同じ！？
実物の鋳物と同じだったら、３Dモデルも仕上げ工程で除去しないと、と言う事になります。ここからはまさに手作業、力技。本当の仕上げ工程と同じ努力が必要となります。
３Dデータで製品形状が有ればこんな苦労をしなくても良いのだが、、、、
姑息な手段で、少しためらうのですが、金型面データを少し太らせて鋳物ブロックからカットアウトするとバリの張らないモデルができます。解析誤差より小さい寸法変化なので、実務上はこれでも問題は無いのです。
でもやはり、コンカレントに物事は進めたいですね。

3D-CAD（２）

お客さんから、やっとデータが来ました。金型屋さんからのデータです。金型屋さんから来るデータはCAMで用いるデータの為３Dソリッドのデータではなく、３Dサーフェスつまり面情報のデータである場合が多くなります。解析のモデルを作る時は、STLデータを用いますので、面情報が有れば充分なのですが、寸法を変えたりする場合は３D/CADで変更可能なデータが便利です。
当然３Dデータとしてあるのは金型のデータ、すなわち製品の外周面のデータとなります。解析には、鋳物の形状が必要でこれをこのデータから作らねばなりません。私は鋳物形状を次の様な方法で作成しています。

1. 鋳物製品が収まる領域に鋳物のブロックを作成する
2. 金型の各部品で鋳物ブロックをカットアウトして削り出す
3. 残った部分が、鋳物と方案部分となる

まるで放電加工機で加工する様な方法です。
何か他に良い方法が有れば教えて下さい。

3D-CAD（１）

鋳物屋さんの場合に限ってお話させて頂きます。
解析を実行する上で避けて通れないのが３Dデータです。一昔前は、３Dデータを中核としたコンカレントエンジニアリングを売り言葉、買い言葉にして私等もいろいろなシステムを検討したものです。しかし、こんな大規模なシステムで、しかもCAD/CAM/CAEを系統立てて出来る所は、数限られた大きな企業、または大変先進的な企業に限定される様な気がしています。
現在受託解析と言う仕事柄、多くの企業様よりデータを頂きますが、CAEへ直結する様なデータを頂ける場合が約１割程度だと思います。特に私のお客様である鋳物企業が前述の企業形態ではない場合が多い為ではないかと思います。それとも意外に巷では３Dでの仕事が進んでいないのかな？
鋳物企業への仕事の依頼データとして、あわよくば３D/CAD、普通は２D図面が支給されます。鋳物屋さんは製品を型を使って製造しなくてはなりませんから、この製品データを基に、製品配置や方案を検討します。検討結果が型屋さんへ渡ります。
現在の型屋さんは、NCマシンを駆使して金型を加工します。このためには３D/CAMが大変充実しており、面精度なんかは３D/CADより格段よくなっています。ここで製品を作る為の外側のデータが３Dとして作成されツールパスが作成されNCマシンで加工されます。
鋳物屋さんから「解析やって頂戴」と言われ、「データ下さい」と言ったとき、出てくるのが、この金型屋さんからのデータなのです。最近はデータが中国へ流出して、金型屋さんが大損害を被るケースも増えてきている為、中々データが出てこないケースもありますが、、、
しかし、こうやって入手した３Dデータがこの後色々面白い事をやってくれます。

肩の力を抜いて、さて出発進行

はじめまして、鋳造関係のCAEに携わって約１８年。今では3D-CADを操ってモデルの作成、これを基に凝固、湯流れ、欠陥解析とコンピュータ親父をやっております。
解析の手順や、サンプル、日々思う事や、趣味の話等を交えながら、コツコツ、コツコツと、取り敢えず今年一杯を目標にスタートしたいと思います。
ちなみに、私の所の解析環境は、3D-CADとしてSolidWorks、STLの補正用ソフトとしてMagics、鋳造解析は有限要素法CAPCASTを使用しています。