การวิเคราะห์ Thermal Cycle ของแม่พิมพ์ในงาน HPDC เพื่อดูรูปแบบการกระจายอุณหภูมิของแม่พิมพ์ และ ดูว่า Cycle ที่เท่าไหร่ อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะเข้าสู่ Steady State
ในกระบวนการหล่อแบบแรงดันสูงจะมีลักษณะการผลิต หรือการทำงานแบบเป็นรอบ (ไซเคิ้ล:Cycle) ซึ่งในช่วงเริ่มต้นของการผลิตนั้นรูปแบบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของแม่พิมพ์ จะยังไม่นิ่งอยู่ช่วงระยะเวลาหนึ่ง หลังจากนั้นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของแม่พิมพ์จะมีรูปแบบที่ซ้ำกันในแต่ละไซเคิ้ล ซึ่งอาจจะเรียกว่าเป็นการทำงานที่อยู่ในสภาวะ Steady State ก็ได้ (ไม่ได้บอกว่าได้งานดีนะครับมันคนละเรื่องกัน) โดยระยะเวลาที่อุณหภูมิของแม่พิมพ์เข้าสู่สภาวะดังกล่าวก็ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของการผลิต เช่น อุณหภูมิน้ำโลหะที่ฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์, อุณหภูมิเริ่มต้นของแม่พิมพ์, เงื่อนไขการเปิด-ปิด และอุณหภูมิของสารหล่อเย็น เป็นต้น โดยบทความนี้จะเสนอแนวทางของ การวิเคราะห์ Thermal Cycle ของแม่พิมพ์ในงาน HPDC เพื่อดูรูปแบบการกระจายอุณหภูมิของแม่พิมพ์ และ ดูว่า Cycle ที่เท่าไหร่ อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะเข้าสู่ Steady State ซึ่งสามารถนำเอาไปประยุกต์ใช้กับงานอื่นที่มีลักษณะคล้ายๆ กันได้
แต่ก่อนอื่นต้องขอบอกไว้ก่อนเลยว่า SOLIDWORKS Flow Simulation เป็นซอฟต์แวร์วิเคราะห์แบบทั่วไปเพราะฉะนั้นเทคนิคในการคำนวณ การแสดงผล หรือ เครื่องมือต่างๆ ที่มีอยู่จะไม่สามารถทำได้เทียบเท่ากับซอฟต์แวร์เฉพาะทางด้านงานหล่อ คือ สามารถแสดงผลได้แค่อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงได้ แต่ไม่สามารถที่จะแสดงผลลำดับของการแข็งตัว หรือจุดบกพร่องในชิ้นงานได้ โดยในการจำลองจะไม่พิจารณาช่วงเวลาในการรอและการฉีดน้ำโลหะ (Mold Filling) เข้าไปในแม่พิมพ์ทั้งนี้เนื่องจากงาน HPDC ส่วนใหญ่แล้วช่วงเวลาดังกล่าวนั้นสั้นมาก เมื่อเทียบกับเวลาทั้งหมดของไซเคิ้ล ดังนั้นสำหรับงานในลักษณะอื่น เช่น กระบวนการหล่อแบบแรงดันต่ำ (LPDC) หรือ กระบวนการหล่อแบบแรงโน้มถ่วง (GDC) จึงไม่เหมาะที่จะใช้วิธีนี้
รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างขั้นตอนกระบวนการหล่อโลหะแบบรอบการผลิต (Cycle)
รูปที่ 2 แสดงการกระจายตัวของอุณหภูมิ (รูปจาก www.engineeringnotes.com) จากด้านในของแม่พิมพ์ออกมายังบรรยากาศด้านนอก
ในการวิเคราะห์นั้นเราต้องกำหนดให้ชิ้นงานหล่อเป็น Solid Material เช่นเดียวกับตัวแม่พิมพ์ ส่วนคุณสมบัติของวัสดุนั้นจะกำหนดทั้งตอนที่อยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งควบคู่ไป โดยคุณสมบัติที่ว่านี้ได้แก่ ค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity), ค่าความร้อนจำเพาะ (Specific Heat) และความหนาแน่น(Density) โดยค่าคุณสมบัติทั้งหมดนี้จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ จะมีเพียงค่าความหนาแน่นเพียวตัวเดียวที่เราไม่สามารถกำหนดค่าให้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิได้ (ไม่สามารถที่จะป้อนค่าคุณสมบัติในช่วงที่อยู่ในสถานะของเหลวได้)
รูปที่ 3 ตัวอย่างงาน HPDC ที่จะวิเคราะห์ Thermal Cycle
ในการเตรียมโมเดลให้ทำการสร้าง Lid เพื่อปิดรูคูลลิ่งสำหรับใช้กำหนด Fluid Subdomain และกำหนดเรื่องอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็น ลำดับขั้นตอนการเซ็ตอัพมีดังนี้
1. เริ่มต้นด้วยการเซ็ตอัพในเบื้องต้นผ่าน wizard เป็นดังนี้
รูปที่ 4 กำหนดประเภทของปัญหาเป็น External และรายละเอียดปลีกย่อย
รูปที่ 5 กำหนดประเภทของของไหลโดยเลือกทั้งอากาศและน้ำ
รูปที่ 6 กำหนด Solid Material สำหรับแม่พิมพ์
รูปที่ 7 Wall Condition ให้เป็น Default
รูปที่ 8 กำหนดอุณหภูมิเริ่มต้น (โดยจะกำหนดแบบเฉพาะเจาะจงในภายหลัง)
2. กำหนด Fluid Subdomain สำหรับน้ำหล่อเย็นโดยเลือกที่ผิวด้านในของ Lid ในแต่ละวงจร
รูปที่ 9 แสดงการกำหนด Fluid Subdomain
3. กำหนดคุณสมบัติของวัสดุให้กับแม่พิมพ์และชิ้นงานหล่อ
ผู้ใช้งานสามารถสร้างฐานข้อมูลของตัวเองขึ้นมาโดยอาศัยข้อมูลค่าคุณสมบัติที่มีอยู่ก็จะตรงกับความเป็นจริงมากที่สุด โดยที่บอกไปก่อนหน้านี้ว่าสำหรับ Solid Material เราสามารถกำหนดค่าคุณสมบัติของวัสดุที่แปรผันกับอุณหภูมิได้แค่ ค่าความร้อนจำเพาะ และ ค่าการนำความร้อน ส่วนค่าความหนาแน่นเนื่องจากว่าตัว Flow Simulation มองว่ามันเป็นของแข็ง ซึ่งค่าความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปเลยไม่เปิดโอกาสให้เรากำหนดค่าในช่วงที่เปลี่ยนสถานะหรือช่วงเป็นของเหลวโดยสมบูรณ์ (Solid Fraction มีค่าเท่ากับศูนย์)
รูปที่ 10 a และ b แสดงตัวอย่างการกำหนดวัสดุให้กับชิ้นงานหล่อ
c แสดงค่าการนำความร้อน d แสดงค่าความร้อนจำเพาะ
4. ในส่วนของ Boundary Condition จะประกอบด้วย
4.1 Biscuit ซึ่งเป็นส่วนที่แข็งตัวในลำดับท้ายสุดจะกำหนดด้วย Idea Wall ซึ่งจะไม่มีการถ่ายเทความร้อนบนผิวที่เรากำหนดไป (Adiabatic Surface)
รูปที่ 11 การกำหนดผิวที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อน
4.2 การเปิด – ปิด ระบบหล่อเย็น กำหนดเป็น Inlet Volume Flow Rate โดยการเปิด – ปิด จะอาศัยฟีเจอร์ Dependency มาช่วย
รูปที่ 12 การกำหนดเงื่อนไข เปิด – ปิด ระบบหล่อเย็น
รูปที่ 13 การกำหนดเงื่อนไข เปิด – ปิด ระบบหล่อเย็นโดยขึ้นกับเวลา (ในรูปแสดง 1 ไซเคิ้ล)
4.3 กำหนดความดันที่ทางออกของระบบหล่อเย็นให้เท่ากับ Environment Pressure
รูปที่ 14 การกำหนดความดันบรรยากาศที่ทางออกของระบบหล่อเย็น
4.4 การเริ่มและสิ้นสุดไซเคิ้ลจะใช้ฟีเจอร์ Heat Source เป็นตัวกำหนดโดยให้ตัวชิ้นงานหล่อมีอุณหภูมิ 690 C(ON) เป็นเวลา 1 วินาที หลังจากนั้นสั่งปิดการทำงานของฟีเจอร์ (OFF) ไปจนจบไซเคิ้ลเหมือนกับปล่อยให้ชิ้นงานหล่อที่อุณหภูมิเริ่มต้น 690 C เย็นตัวในแม่พิมพ์
รูปที่ 15 การกำหนดการเริ่มต้นและสิ้นสุดของรอบการผลิต (ในรูปแสดง 1 ไซเคิ้ล)
4.5 สุดท้ายกำหนดอุณหภูมิเริ่มต้นของแม่พิมพ์
รูปที่ 16 การกำหนดอุณหภูมิเริ่มต้นของแม่พิมพ์
5. ในส่วนของ Calculation Control Options จะประกอบด้วย
5.1 ให้เซ็ตเวลาสิ้นสุดการคำนวณ
รูปที่ 17 แสดงการเซ็ตเวลาสิ้นสุดการคำนวณไว้เท่ากับ 450 วินาที (10 ไซเคิ้ล)
5.2 การเซฟผลลัพธ์
รูปที่ 17 กำหนดความถี่ในการเซฟผลลัพธ์และการเตรียมแสดงผลลัพธ์แบบ Transient Explorer
6. การแสดงผลผลัพธ์
6.1 อาจเลือกแสดงเป็นอุณหภูมิ Temperature (Solid) ทั้งในส่วนของชิ้นงานหล่อ และแม่พิมพ์โดยใช้ Surface Plots
รูปที่ 18 แสดงการกระจายตัวของอุณหภูมิบนชิ้นงานหล่อ และแม่พิมพ์โดยใช้ Surface Plots
6.2 เราสามารถใช้ฟีเจอร์ Transient Explorer ร่วมกับการแสดงผลการกระจายตัวของอุณหภูมิโดยจะแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ไซเคิ้ลแรกถึงไซเคิ้ลสุดท้าย
รูปที่ 19 การแสดงผลร่วมกับ Transient Explorer
6.3 พล็อตกราฟการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของแม่พิมพ์โดยใช้ Plot Parameters
รูปที่ 20 แสดงกราฟการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของแม่พิมพ์ตั้งแต่ไซเคิ้ลที่1 – ไซเคิ้ลที่10
ทั้งหมดที่ได้แสดงไปน่าจะเป็นประโยชน์แก่ทุกท่านที่สนใจอยากจะลองวิเคราะห์ Thermal Cycle ของแม่พิมพ์ HPDC หรืองานอื่นๆ ที่มีลักษณะคล้ายกันได้ลองทำและศึกษาให้เข้าใจในหลักการดูก่อนเนื่องจากซอฟต์แวร์เฉพาะทางมีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง แต่หากยังไม่ตอบโจทย์ก็สามารถจัดหาซอฟต์แวร์เฉพาะทางได้ในภายหลัง
ข้อมูลเพิ่มเติม :
SOLIDWORKS
SOLIDWORKS Simulation
SOLIDWORKS Flow Simulation
