Slévárenské metody výroby porézních kovů s pravidelnou buňkovou strukturou

Filip Radkovský

Doctoral thesis

Foundry Produciton Methods of Porous Metals With Regular Cellular Structure

Abstract:

Disertační práce popisuje návrh technologie výroby porézního kovu slévárenskou cestou. Porézní kov vznikne záměrným vytvořením pórů, které mohou mít různou velikost, tvar i rozložení a to buď pravidelné nebo stochastické. Tyto póry jim pak dávají mnoho výjimečných vlastností jako například: vysoká tuhost při nízké hustotě, vysoká tepelná vodivost, schopnost absorpce energie aj. Od objevu porézních kovových materiálů bylo vyvinuto mnoho metod jejich výroby. Cílem této práce je ověřit vybrané slévárenské metody výroby porézních kovů s pravidelnou vnitřní strukturou. Porézní kov vytvořený pomocí infiltrace tekutého kovu do dutiny formy vyplněné preformou se jeví jako nejrychlejší a nejekonomičtější způsob. Avšak ani zde se bez správných výrobních parametrů neobejdeme. Po vytvoření prvních zkušebních odlitků porézního kovu s pravidelnou vnitřní strukturou ve tvaru kvádru byl proces výroby optimalizován a u vyrobených vzorků byly hodnoceny mechanické vlastnosti tlakovou zkouškou pro využití jako prvek do deformačních zón. Pro využití porézních kovů coby tepelného výměníku byl pro potřeby výpočtu přestupu tepla využit výpočetní software ASYS 18. Díky tomu byla navržena optimální geometrie vnitřních dutin. Následně byl vytvořen 3D model konkrétního odlitku tepelného výměníku v softwaru Rhinoceros 4.0 pro potřeby numerické simulace v softwaru MAGMASOFT® 5.4 kde byl navržen a optimalizován celý proces výroby. Na základě tohoto výzkumu byl vyroben funkční vzorek porézního kovu s pravidelnou vnitřní strukturou – tepelný výměník. Tepelný výměník ze slitiny hliníku byl odléván do pískové formy z jednotné bentonitové směsi (JBS) za použití preforem. Také byl vytvořen odlitek porézního kovu s pravidelnou vnitřní mřížovou strukturou. Tento odlitek ze slitiny hliníku byl vyroben metodou Lost Foam. Proces výroby byl optimalizován a u vyrobených vzorků byly hodnoceny mechanické vlastnosti tlakovou zkouškou. Cílem je tedy ověřit výrobu odlitků, které by našly využití u konstrukce dopravních prostředků v oblasti pohlcování nárazové energie a také v energetice coby výměníku tepla.

Abstract:

This dissertation thesis describes the proposal for technology of production of porous metal using casting methods. Porous metal is formed by intentional pore formation, which have various size, shape with regular or stochastic texture. These pores give metal many outstanding qualities, for example: high rigidity at low temperature, high thermal conductivity, energy absorption capacity etc. Since the discovery of porous metal materials there have been developed a lot of methods to produce them. The aim of this work is to verify selected casting method in production of porous metal with ordered internal structure. Porous metal, which is formed by infiltrating the liquid metal into the cavity of the mould, filled with a preform seems to be the fastest and most economical way. Despite that we cannot do it without the right production parameters. The process was optimized after the first castings of porous metal with ordered internal structure in a shape of the block, which had been created and the produced samples were evaluated according to their mechanical attributes during compression test to be used as an element in deformation zones. Computer software ASYS 18 was used as a tool to calculate heat transfer values for porous metal to be used as a heat exchanger. According to the results optimal cavity geometry has been designed. Subsequently 3D model of actual casting was made using Rhinoceros 4.0 for numerical simulation in software MAGMASOFT 5.4, where the whole process of production was designed and optimized. Based on this research a functional sample of porous metal with an ordered internal structure was made - a heat exchanger was produced. This heat exchanger made from aluminium alloy was casted to the sand form from (green sand) using preforms. Moreover, a porous metal casting with ordered internal lattice structure was produced. This casting was produced using Lost Foam method. The process was also optimized and products were evaluated for their mechanical features by compression test. The main aim of this research is to verify production of casts, which could be used in construction of vehicles in the field of impact energy absorption and as well as in energy as a heat exchanger.

Keywords

Odlitek, Porézní kov, Kovová pěna, Pravidelná struktura, Preforma, Lost Foam, Deformační zóna, Výměník tepla.

Keywords

Casting, Porous metal, Metallic foam, Regular structure, Preform, Lost Foam, Deformation zone, Heat exchanger.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 2. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 15. 10. 2020
• Supervisor: Petr Lichý
• Reader: Tomáš Elbel, Richard Pastirčák, Ivo Lána

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Metalurgická technologie