Superpočítačová simulace s 60% přesností předpovídá vady v hliníkových odlitcích a zefektivňuje výrobu

Hliníkové odlitky, ceněné pro svou nízkou hmotnost a vysokou pevnost, nacházejí široké uplatnění v automobilovém průmyslu a přesném strojírenství. Jejich spolehlivost však často ohrožují vnitřní vady známé jako pórovitost – dutiny vzniklé zachyceným vzduchem během odlévání.

Hliníkové odlitky, ceněné pro svou nízkou hmotnost a vysokou pevnost, nacházejí široké uplatnění v automobilovém průmyslu a přesném strojírenství. Jejich spolehlivost však často ohrožují vnitřní vady známé jako pórovitost – dutiny vzniklé zachyceným vzduchem během odlévání. Tyto vady jsou obtížně detekovatelné vnější kontrolou a mohou výrazně snížit mechanickou integritu a dlouhodobou životnost komponent.

Výzkumná skupina vedená profesorem Junem Ishimotem z Institutu fluidních věd na univerzitě Tohoku, ve spolupráci se společností Astemo, Ltd., vyvinula inovativní simulační přístup. Ten umožňuje časově rozlišenou predikci tvorby pórovitosti během vysokotlakého lití do forem. Jádrem práce je nově vyvinutý výpočetní nástroj DiecastCompressibleInterFoam, postavený na otevřené platformě pro výpočetní dynamiku tekutin OpenFOAM. Simulace integruje metodu Volume of Fluid (VOF) s Large Eddy Simulation (LES) a zároveň zahrnuje stlačitelnost plynu a efekty tuhnutí. Tento rámec umožňuje trojrozměrnou, vysoce přesnou analýzu procesu odlévání, od plnění roztaveným kovem až po rané fáze tuhnutí. Díky využití rozsáhlých superpočítačových zdrojů model zachycuje chování zachyceného vzduchu, včetně tvorby bublin, jejich transportu, komprese a následného zachycení uvnitř materiálu.

Tým pomocí tohoto přístupu identifikoval místa tvorby pórovitosti v průběhu času během procesu odlévání. Simulace také umožnila vizualizaci jemné morfologie pórovitosti během přechodného tuhnutí, což nabízí vhled do mechanismů tvorby vad, které jsou konvenčními metodami obtížně pozorovatelné. Přesnost modelu byla ověřena porovnáním simulačních výsledků s měřeními rentgenové počítačové tomografie (CT) sériově vyráběných odlitků. Porovnání ukázalo prostorovou shodu v umístění pórovitosti až 60 %. Kromě toho předpovězená pórovitost 0,42 % byla v souladu s experimentálně naměřenou hodnotou 0,26 %. Výzkum také zahrnoval techniky pro zvýšení výpočetní efektivity, jako je optimalizace sítě, modelování symetrie a analýza segmentace pouzdra. Tato vylepšení snížila celkovou dobu výpočtu přibližně o 55 %, což podporuje proveditelnost aplikace takových simulací v průmyslových návrhových procesech.

Tato metodika nabízí cestu pro integraci predikce vad založené na simulacích do raných fází vývoje produktu. Umožněním identifikace oblastí náchylných k vadám před zahájením výroby může snížit závislost na fyzickém prototypování a zároveň zlepšit konzistenci a bezpečnost produktu v sériové výrobě. Budoucí práce rozšíří simulaci tak, aby zahrnovala pozdější fáze procesu odlévání, jako je intenzifikace tlaku a pórovitost související se smršťováním. Tým také plánuje začlenit další fyzikální modely, včetně srážení vodíkového plynu, a prozkoumat využití simulačních dat pro trénování modelů strojového učení zaměřených na predikci vad v reálném čase v průmyslovém prostředí.