Αντίστροφος σχεδιασμός και κατασκευή με χύτευση χαμένου κεριού χιτωνίου δίχρονης μηχανής μοντελισμού

Abstract

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η διερεύνηση τεχνικών κατασκευής υπαρχόντων εξαρτημάτων από την σάρωση μέχρι και την παραγωγή αυτών. Περιλαμβάνονται τα στάδια της σάρωσης, του σχεδιασμού, προσομοίωσης της κατεργασίας και κατασκευής με χύτευση μέσα από το παράδειγμα αναπαραγωγής ενός χιτωνίου δίχρονης μηχανής μοντελισμού. Στη συνέχεια αναφέρονται συνοπτικά όλα τα στάδια που ακολουθήθηκαν στα πλαίσια αυτής της εργασίας για την αναπαραγωγή του συγκεκριμένου, μικρού μηχανολογικού τεμαχίου ακριβείας. Α. Σάρωση του χιτωνίου με την χρήση τρισδιάστατου σαρωτή laser. Από την σάρωση αυτή κατασκευάζεται το νέφος σημείων του αντικείμενου. Β. Επεξεργασία του νέφους σημείων σάρωσης με την χρήση εμπορικού πακέτου CAD. Η εξαγωγή επιφανειών από το νέφος σημείων για την δημιουργία ενός ολοκληρωμένου τρισδιάστατου μοντέλου επετεύχθη με ενδιάμεση παρεμβολή καμπυλών splines. Γ. Εξακρίβωση του υλικού από το οποίο ήταν κατασκευασμένο το χιτώνιο με εξέταση του τεμαχίου σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Δ. Εισαγωγή της γεωμετρίας του τρισδιάστατου μοντέλου σε εμπορικό πακέτο CAE (ProCAST) και δημιουργία πλέγματος. Αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας για διάφορες περιπτώσεις χύτευσης σε φυγοκεντρική μηχανή και σε μηχανή κενού – υπερπίεσης, με επίλυση του ροικού, θερμικού και τασικού προβλήματος. Σκοπός της διερεύνησης αυτής ήταν να βρεθούν ικανοποιητικές συνθήκες για την κατεργασία χύτευσης (τρόπος έγχυσης του τήγματος, συνθήκες πίεσης/ταχύτητα περιστροφής, θερμοκρασία έγχυσης τήγματος, θερμοκρασία καλουπιού) αλλά και να δοκιμαστεί το σύστημα τροφοδοσίας πριν να γίνει πραγματική χύτευση. Κριτήρια για την αξιολόγηση των καλύτερων συνθηκών/τροφοδοσίας ήταν η ποιότητα πλήρωσης, η ύπαρξη ατελειών – με σημαντικότερη αυτή του πορώδους και οι χρόνοι στερεοποίησης και οι παραμορφώσεις στα διάφορα σημεία του χυτού. Ε. Προσπάθεια κατασκευής του χιτωνίου με κατεργασία χύτευσης χαμένου κεριού, με βάση τη γεωμετρία που αναπτύχθηκε για την τροφοδοσία του. Η διαδικασία περιλαμβάνει πολλά εμπειρικά βήματα τα οποία μελετήθηκαν αναλόγως, διότι επηρεάζουν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων τεμαχίων. ΣΤ. Μέτρηση και αξιολόγηση των παραχθέντων δοκιμίων. Σφάλμα εισάγεται κυρίως λόγω της γενικά κακής ακρίβειας του κέρινου μοντέλου και συρρίκνωσης του στερεοποιημένου μετάλλου. Οι μετρήσεις έγιναν με χρήση τρισδιάστατου σαρωτή και μοντελλοποίηση σε CAD.

The objective of this dissertation is to study the feasibility of reconstructing existing parts from scanning to manufacture process. It consists of the stages of scanning, drawing, simulation of the process and construction with precision casting for a specific part which is a two stroke R/C engine sleeve. All the stages which were used for the construction of this part are described below: Α. Scanning of the sleeve with the use of a 3d laser scanner. This action produces a point cloud file of the part. Β. Processing the point cloud file by using a commercial CAD program. Reconstructing surfaces from the point cloud file and creation of a complete 3d model with extensive use of spline curves. C. Defining the material which the part was made of, by examining the part with SEM microscope. D. Insertion of the geometry to a commercial CAE program (ProCAST) followed by mesh construction. Numerical simulation of the process for many different cases of casting with centrifugal and LPDC casting accompanied by the solution of the fluid, thermal, and stress model. The objective of the simulations was to find satisfactory initial conditions for the casting process (mold filling temperature, mold temperature, conditions of pressure/speed/rpm) and also test the feeding geometry before the real process occurs. Criteria for the evaluation of the best conditions/feeding where the filling percentage and the existence of imperfections – with most important being porosity, solidification times and deformations at different areas of the cast. Ε. Manufacturing the sleeve with lost wax casting process by using the feeding geometry which was developed at the previous step and the best evaluated conditions. The process requires experience and skill from the user which affects the geometry of the manufactured parts. F. Finally measurement and evaluation of all the manufactured parts. Errors occurred mainly because of the poor wax models precision and metal shrinkage after casting. The measurements where made by using 3d laser scanner and CAD support.