ProCAST นวัตกรรมซอฟแวร์ชั้นนำที่มาพร้อมกับเทคโนโลยีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element Method) ซอฟต์แวร์เฉพาะทางสำหรับงานด้านวิศวกรรมเพื่อการจำลองงานหล่อโลหะ อาทิ การหล่อโดยแบบหล่อทราย การหล่อด้วยแรงดันต่ำ (LPDC) การหล่อด้วยแรงดันสูง (HPDC) การจำลองการไหลของน้ำโลหะหลอมเหลว การจำลองพฤติกรรมการเย็นตัวและแข็งตัว หาจุดบกพร่องที่เกิดในชิ้นงาน ตลอดจนการจำลองโครงสร้างทางจุลภาคภายหลังงานหล่อ ด้วยขีดความสามารถที่หลากหลายและไม่จำกัดเพียงกระบวนการหล่อกระบวนใดกระบวนการหนึ่ง ProCAST จึงเป็นซอฟต์แวร์ที่ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในภาคอุตสาหกรรม ทั้งอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์และอากาศยาน อุตสาหกรรมอัญมณี อุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกลหนัก รวมทั้งสถาบันวิจัยและพัฒนาชั้นนำ หรือแม้แต่มหาวิทยาลัยชั้นนำ ได้มีการนำซอฟต์แวร์ไปใช้เพื่อการสอนหรืองานวิจัย ที่ต้องการขีดความสามารถสูง รวดเร็วและแม่นยำ เชื่อถือได้ และครอบคลุมปัญหาเชิงวิศวกรรมของกระบวนการหล่อหลอมโลหะ
ภาพแสดงโมดูลความสามารถในการจำลองปัญหาของซอฟต์แวร์
สามารถวิเคราะห์พฤติกรรมการหล่อโลหะตั้งแต่ การเทน้ำโลหะเข้าสู่แบบหล่อ (Pouring) การไหลตัวของน้ำโลหะหลอมเหลว (Flow) การพัดพาตะกอนหรือสารเจือปน (Particle tracking) การไล่ก๊าซหรืออากาศ (Void Fraction) การแข็งตัวของชิ้นงานหล่อ (Solidification) ตลอดจนถึงการทำนายจุดบกพร่องที่เกิดในชิ้นงานหลังจากการแข็งตัว ไปจนถึงโครงสร้างทางจุลภาคภายหลังจากที่เย็นตัวสมบูรณ์ (Micro Structure) เป็นต้น
ปัญหาหลักที่สำคัญประการหนึ่งซึ่งอยู่คู่มากับงานหล่อมาโดยตลอดคือการออกแบบแม่พิมพ์อย่างไรให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ดีมีคุณภาพและมีของเสียน้อยที่สุด
อีกทั้งในปัจจุบันด้วยภาวะเศรษฐกิจที่มีการแข่งขันสูง จะต้องผลิตชิ้นงานให้ทันเวลาและใช้ต้นทุนต่ำที่สุด ซอฟต์แวร์จึงเป็นทางเลือกที่เด่นชัดขึ้นมา นั่นก็คือการจำลองงานหล่อก่อนผลิตจริง ขีดความสามารถที่หลากหลายของซอฟต์แวร์ ProCAST แยกตามกระบวนงานหล่อดังนี้
คือการจำลองกระบวนการหล่อโดยใช้แม่พิมพ์ทราย (Green Sand Mold) หรือแม่พิมพ์ถาวร (Permanent Mold) โดยอาศัยหลักแรงโน้มถ่วงของโลกในการไหลของน้ำโลหะหลอมเหลวเข้าสู่แบบหล่อ ซึ่งจะต้องมีการออกแบบทางเดินน้ำโลหะ (Runner) ทางเข้าน้ำโลหะ (Ingate) ให้เหมาะสม และต้องมีการเผื่อขนาดของชิ้นงานเพื่อชดเชยและเพียงพอแก่การหดตัวของชิ้นงาน เพื่อให้ได้รูปร่างชิ้นงานสุดท้ายที่สมบูรณ์
ภาพแสดงการเปรียบเทียบระหว่างงานจริง (ซ้าย) กับผลการจำลองงานหล่อ (ขวา) ในงานหล่อแบบ Green Sand Casting ซึ่งมีผลการจำลองที่ใกล้เคียงกับงานจริง
กระบวนการหล่อโลหะโดยใช้แรงดันต่ำเป็นกรรมวิธีการหล่อโลหะจำพวกโลหะนอกกลุ่มเหล็ก เช่น อลูมิเนียม อีกวิธีหนึ่ง เหมาะสำหรับงานที่ต้องการควบคุมคุณภาพพิเศษ โดยใช้แรงดันผลักดันน้ำโลหะหลอมเหลวในเตาสุญญากาศเพื่อให้เข้าไปในแม่พิมพ์โลหะ โดยกระบวนการผลิตนี้จะช่วยลดปริมาณแก๊สไฮโดรเจนที่อาจเข้าไปผสมกับน้ำโลหะอลูมิเนียมหลอมเหลว ส่งผลให้ปริมาณรูพรุนจากฟองแก๊สในชิ้นงานน้อยลง ทำให้ของเสียในกระบวนการผลิตมีปริมาณต่ำ กระบวนการหล่อแบบแรงดันต่ำนี้เหมาะกับชิ้นงานประเภทที่ต้องการความหนาแน่นของชิ้นงานสูง เนื่องจากการใช้งานจะต้องรับแรงดันสูง รูปร่างสลับซับซ้อน เช่น ล้อแม็กรถยนต์ ก๊อกน้ำ เป็นต้น
ภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันที่ใช้ฉีด (mbar) กับเวลา (วินาที)
กระบวนการหล่อโลหะโดยใช้แรงดันสูงเป็นกรรมวิธีการหล่อโลหะจำพวกโลหะนอกกลุ่มเหล็ก เช่น อลูมิเนียม สังกะสี แมกนีเซียม ซึ่งเป็นกรรมวิธีหล่ออีกวิธีหนึ่ง เหมาะสำหรับงานที่ต้องการควบคุมคุณภาพพิเศษ โดยใช้แรงดันจากลูกสูบผลักดันน้ำโลหะเพื่อให้เข้าไปในแม่พิมพ์โลหะ โดยกระบวนการผลิตนี้จะช่วยลดปริมาณแก๊สไฮโดรเจนที่อาจเข้าไปผสมกับน้ำโลหะอลูมิเนียมหลอมเหลว ส่งผลให้ปริมาณรูพรุนจากฟองแก๊สในชิ้นงานน้อยลง รวมทั้งด้วยความดันที่มีค่าสูงสามารถฉีดน้ำโลหะเข้าสู่แบบหล่อที่มีรูปร่างบางและซับซ้อนสูงได้ ซึ่งต้องการรูปร่างผิวสุดท้ายที่ใกล้เคียงงานจริงที่สุด (Near Net Shape) ทำให้ของเสียและเศษโลหะ (scrap/chip) ในกระบวนการผลิตมีปริมาณต่ำ กระบวนการหล่อแบบแรงดันสูงนี้เหมาะกับชิ้นงานประเภทที่ต้องการความหนาแน่นของชิ้นงานสูง เนื่องจากการใช้งานจะต้องรับแรงดันสูง เช่น คาร์บูเรเตอร์ในเครื่องยนต์ เป็นต้น
“ภาพแสดงผลการจำลองการเคลื่อนที่ของลูกสูบและลักษณะการถ่ายเทความร้อนของโลหะเหลวสู่แม่พิมพ์ที่มีช่อง Cooling channel ช่วยในการหล่อเย็นแม่พิมพ์
ProCAST สามารถจำลองการหล่อชิ้นงานที่มีรูปร่างสลับซับซ้อนและบางมากได้อย่างแม่นยำ สามารถจำลองพฤติกรรมการไหลของน้ำโลหะในกระบอกสูบ (Shot sleeve)
กราฟแสดงจำนวนรอบที่อุณหภูมิบนแม่พิมพ์คงที่ (No. of cycles) เทียบกับเวลา (time)
การหล่อโดยอาศัยหลักการหมุนทำให้เกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ทำให้น้ำโลหะเหลวไหลพุ่งเข้าไปในโพรงแบบหล่อ โดยทิศทางที่น้ำโลหะพุ่งเข้าไปในแบบหล่อคือทิศทางหนีจากศูนย์กลาง ด้วยเหตุนี้จึงส่งผลให้ชิ้นงานมีปริมาณของเสียจากการหดตัวต่ำและลักษณะผิวชิ้นงานสม่ำเสมอ
ภาพแสดงเวกเตอร์ความเร็วของการไหลของน้ำโลหะหลอมเหลวจากจุดศูนย์กลางของแกนกลาง
กระบวนการหล่อแบบขี้ผึ้งหายโดยอาศัยหลักการออกแบบแม่พิมพ์เพื่อนำไปสร้างแบบพิมพ์ซึ่งทำจากขี้ผึ้ง (WAX) แล้วนำไปเคลือบโดยวัสดุทนไฟภายนอก (refractory ceramic material) แล้วนำน้ำโลหะหลอมเหลวเทเข้าสู่แบบหล่อเพื่อแทนที่ขี้ผึ้ง ซึ่งกรรมวิธีนี้เหมาะกับวัสดุจำพวกโลหะมีค่า เช่น เงิน ทองคำ ซึ่งหลังจากการหล่อจะได้รูปร่างชิ้นงานที่เรียบ ขนาดเล็ก โดยซอฟต์แวร์ ProCAST สามารถจำลองการหล่อชิ้นงานที่มีรูปร่างสลับซับซ้อน รวมทั้งขนาดเล็ก ได้อย่างแม่นยำ สามารถจำลองพฤติกรรมการไหลของน้ำโลหะ (Flow) พฤติกรรมการแข็งตัว (Solidification) ของชิ้นงาน และทำนายตำแหน่งที่อาจจะเกิดจุดบกพร่องตามผิวชิ้นงาน รวมทั้งใช้จำลองลักษณะตำแหน่งการติดก้านงานหล่อที่เหมาะสม ช่วยเพิ่มปริมาณการผลิตและลดของเสียที่อาจเกิดจากการออกแบบ ข้อสำคัญอีกประการคือ เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีค่าราคาสูง หากต้องทำการทดลองสร้างต้นแบบ (Prototype) อาจจะเสียต้นทุนราคาสูงตามไปด้วย
ภาพแสดงขั้นตอนการทา แบบพิมพ์
ภาพแสดงลักษณะการไหลของน้ำโลหะหลอมเหลวเข้าสู่แบบหล่อขณะที่กำลังเผาไหม้ขี้ผึ้งหรือโฟม
การหล่อต่อเนื่องเป็นกระบวนการสำหรับการเปลี่ยนเหล็กหลอมเหลวให้เป็นเหล็กกึ่งสำเร็จรูปที่เหมาะจะนำไปทำกระบวนการอื่นๆ ต่อไป โดยน้ำโลหะหลอมเหลวจะถูกเทในส่วนบนแม่พิมพ์ โดยทางที่จะเทลงไปนั้นเป็นแนวตั้ง และจะโค้งลงเป็นแนวนอนในส่วนต่อไป ซึ่งจะมีลักษณะเป็นเหล็กรูปพรรณแบบกึ่งสำเร็จรูป ตอนที่เหล็กเคลื่อนตัวลงไปตามแม่พิมพ์นั้น มันจะค่อยๆ เย็นตัวและแข็งตัว โดยจะบิดเป็นเกลียวต่อเนื่องซึ่งจะถูกตัดออกไปตามความยาวที่ใช้ เหล็กที่ผ่านการหล่อแบบต่อเนื่องเรียกว่า “Conticasters” ซึ่งใช้ในการผลิต Slabs (ใช้ในการรีดเป็นแผ่นและเหล็กแถบ) และ Billets (สำหรับเหล็กรูปพรรณเบาและเหล็กเส้น)
ภาพแสดงการจำลองการหล่อแบบต่อเนื่องและแถบสีแสดงการจัดเรียงตัวของโครงสร้างในชิ้นงาน
คือกระบวนการหล่อโลหะโดยอาศัยหลักการเทน้ำโลหะหลอมเหลวเข้าสู่แบบหล่อด้วยการเทลักษณะเอียง เทไหลเข้าสู่แบบหล่อโดยอาศัยแรงดึงดูดของโลก แม่พิมพ์จะอยู่ในลักษณะเอียงและหมุนในตำแหน่งแนวดิ่ง
คือกระบวนการทำแบบทรายแบบที่จะต้องติดหรือวางไว้ในแม่พิมพ์ เพื่อให้ชิ้นงานหล่อเกิดช่องว่าง เช่น รู หรือส่วนเว้าต่างๆ การใช้ไส้แบบ (Core) จะใช้เมื่อเราไม่สามารถทำให้เกิดช่องว่างจากแบบแม่พิมพ์โดยตรงได้ หรือถ้าทำได้ก็ลำบากไม่คุ้มต้นทุน หลักการทำงานของ Core Blowing จะใช้อากาศอัด โดยอากาศจะถูกอัดด้วยความดันสูงแล้วปล่อยผ่านทรายทำไส้แบบหล่อด้วยความเร็วสูง ทรายจะไหลตัวลงอัดกดทับในแบบแม่พิมพ์ ไส้แบบ และปลายแม่พิมพ์จะมีการเจาะช่องเพื่อให้อากาศไหลตัวออกไปได้
จะเห็นได้ว่าตัวแปรในการควบคุมในแต่ละกระบวนการหล่อนั้นมีมากน้อยขึ้นอยู่กับแต่ละกระบวนการหล่อ เช่น อุณหภูมิ (Temperature) อัตราการไหลตัว (Flow Rate) เวลาเท (Pouring Time) อุณหภูมิเท (Pouring Temperature) อัตราการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer Coefficient) แรงดัน (Pressure) ช่องระบายความร้อนของแม่พิมพ์ (Cooling Channel) เป็นต้น
ซึ่งกระบวนการหล่อเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าจำเป็นต้องมีกการสร้างแบบจำลองเพื่อทำการทดลองต้นแบบ (Prototype) ซึ่งหากต้องทำการทดลองเทและควบคุมตัวแปรเหล่านี้แล้ว จำเป็นต้องใช้ต้นทุนและเวลา ค่อนข้างสูง
ProCAST จึงเป็นทางเลือกที่สามารถนำมาช่วยในการควบคุมตัวแปรต่างๆ ในแต่ละกระบวนการหล่อนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยช่วยลดต้นทุนด้านอุปกรณ์ เครื่องมือต่างๆ และเวลาในการทดลอง
ธรรมชาติของกระบวนการหล่อโลหะหลังจากหลอมโลหะแล้วจะต้องมีกาการปรุงสัดส่วนผสมทางเคมี (Chemical Composition) ของน้ำเหล็กให้ได้ตามสัดส่วนมาตรฐาน ดังนั้นจึงต้องมีกาการเติมธาตุต่างๆ ลงไปในน้ำโลหะหลอมเหลว ด้วยเหตุนี้จึงนำมาซึ่งปัญหาที่เกี่ยวกับข้อมูลของวัสดุไม่ตรงตามความต้องการของผู้ใช้หรือมีให้เลือกใช้ไม่เพียงพอ ส่งผลให้ผลที่ได้จากการจำลองคลาดเคลื่อนจากความเป็นจริง ProCAST เป็นซอฟต์แวร์ที่สามารถให้ผู้ใช้สร้างฐานข้อมูลเฉพาะด้านวัสดุเพิ่มเติมเองได้ (Open Source) ซึ่งจะเป็นฐานข้อมูล (Database) ที่ผู้ใช้สร้างขึ้นและเก็บเป็นฐานข้อมูลในแต่ละสถานประกอบการ เช่น การสร้างฐานข้อมูลของวัสดุที่มีการเติมธาตุผสมเพิ่มเติมไปจากเกรดมาตรฐาน หลังจากสร้างฐานข้อมูลวัสดุใหม่ขึ้นมาแล้ว จะได้ค่าทางโลหะวิทยาของแต่ละวัสดุที่จำเป็นเพื่อให้ซอฟต์แวร์ทำการจำลองงานหล่อ เช่น Density of Material, Conductivity, Specific Heat, Newtonian Viscosity, Enthalpy เป็นต้น
ภาพแสดงการสร้างฐานข้อมูลใหม่ให้ตรงตามสัดส่วนผสมทางเคมีของงานหล่อ
“ในการจำลองงานหล่อขึ้นรูปนั้น ความแม่นยำและความเที่ยงตรงของผลการจำลองจะขึ้นอยู่กับค่าพารามิเตอร์ (Parameter) ต่างๆ ที่ป้อนเข้าสู่ตัวซอฟต์แวร์ ซึ่งซอฟต์แวร์ ProCAST จะใช้หลักการคำนวณแบบ Finite Differential และใช้สูตรคำนวณทางคณิตศาสตร์แยกได้ดังนี้:
ขั้นตอนจำลองงำนหล่อจะเริ่มต้นโดยกำรสร้ำงแบบจำลองชิ้นงำน 3 มิติ(CAD)หลังจำกนั้นทำกำรส่งไฟล์ที่เขียนแบบโดย CAD เข้ำสู้กระบวนกำรจำลองหรือซอฟแวร์เริ่มต้นจำกกำรกำหนดตำแหน่งทำงเข้ำของน้ำโลหะตำแหน่งชิ้นงำน ตำแหน่งระบำยอำกำศและอื่นๆ เสร็จแล้วจะเข้ำสู่กำรแบ่งเมช(Enmeshment)จะมีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยมลุกบำศก์ สำมเหลี่ยม เป็นต้น กำรคำนวณค่ำหรือพฤติกรรมต่ำงๆของงำนหล่อจะอยู่ในขอบเขตของเมชหรือเอลิเมนต์ต่อเนื่องกันไปดังนั้นกำรแบ่งเมชควรไม่หยำบเกินไปจนทำให้ค่ำจำกกำรคำนวณคลำดเคลื่อนกว่ำควำมเป็นจริง และก็ไม่ควรละเอียดจนเกินไป เพรำะแม้จะได้ผลที่ตรงกับควำมเป็นจริงมำก แต่ก็ต้องใช้ระยะเวลำในกำรประมวลผลนำน
เมื่อแบ่งเมชเรียบร้อยแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการป้อนค่าพารามิเตอร์เข้าสู่ตัวซอฟต์แวร์ ซึ่งค่าพารามิเตอร์นี้จะต้องเป็นค่าที่ใช้ในงานจริง เพื่อความถูกต้องในการคำนวณของซอฟต์แวร์ โดยค่าหลักๆ ที่ต้องป้อนในแต่ละกระบวนการหล่อมีดังนี้:
อีกปัญหาหลักจากการใช้งานซอฟต์แวร์ Simulation ในปัจจุบันคือบ่อยครั้งจะพบปัญหาในขั้นตอนการแบ่งเมชที่ทำได้ยากในบางบริเวณของชิ้นงานที่มีความหนา-บางต่างกันมาก ส่งผลให้ต้องแบ่งเมชหรือเอลิเมนต์มากเกินความจำเป็นจนทำให้การประมวลผลใช้ระยะเวลานาน ProCAST เป็นซอฟต์แวร์ที่ทำการแบ่งเมชเป็นเอลิเมนต์ภายใต้ขอบเขตเส้นของชิ้นงาน (CAD) ดังนั้นสามารถกำหนดขนาดของเอลิเมนต์ได้ตามความหนา-บางของชิ้นงาน เช่น กำหนดเอลิเมนต์หยาบในบริเวณที่มีความหนาและใหญ่ในส่วนของแม่พิมพ์ ส่วนของชิ้นงานกำหนดเอลิเมนต์ให้มีขนาดเล็กละเอียดได้อย่างลงตัว ส่งผลให้ได้จำนวนและขนาดเอลิเมนต์ที่เหมาะสมในแต่ละชิ้นงาน ทำให้ผลการจำลองแม่นยำและรวดเร็วยิ่งขึ้น
ภาพแสดงการแบ่งเมชที่กาหนดขนาดแตกต่างกันในแต่ละบริเวณของชิ้นงาน
If you have specific demand or need in-depth consultation, please submit your request to us.
InterSIM Company was founded in 2022 and has over ten years of experience in the foundry and casting industries.
interSIM CO., LTD. © All Rights Reserved.