【技術電子報】Porsche汽車應用FLOW-3D優化鑄件設計及製程條件

資料來源：2014年德國使用者大會 Porsche

一、前言

汽車產業正朝向於發展電動汽車、更安全、更舒適、更酷炫的外型、更高性能的車子，但因為這些因素可能使汽車的重量加重，造成更多溫室氣體的排放，對環境形成破壞，又因各國目前針對環境都有訂定相關法規，讓汽車業者不得不思考要如何在輕量化的情況下完成上述的幾項發展，所以輕量化結構是未來的關鍵技術。

圖1汽車產業的發展目標

Porsche汽車針對輕量化的技術提出了一體化鑄件的方式來改善汽車結構與重量，其優點上有高承重設計、高結構強度、高集成潛力（降低成本）、近淨形生產（壓鑄）、及輕質結構的巨大潛力，但卻也須面臨其他衍生的挑戰，如：鑄件以剛性為主會造成伸長率降低，不能在車輛直接碰撞區域使用、非常複雜的設計和開發過程及鑄造製程參數的不確定性，故本文將研究針對在短時間內開發複雜鑄件的方法進行探討。

圖2 一體化鑄件

二、研究方法

考慮到設計和生產技術的製程條件，透過結構優化提高鑄造零件的產品品質，因為結構力學和生產技術相互影響，在結構中鑄件開發過程使用拓撲和形狀優化，並提出有建設性的製程條件，來將鑄件結構優化以及優化目標和優化策略的推導，例如：鑄件的鑄造模擬以確定合適的方案和參數以及優化目標的形成（缺陷：氣穴、孔隙率......）、使用模擬軟體來計算結構-機械（有限元網格）和鑄造參數，以彈簧支柱安裝為例，鑄件目標為滿足鑄件的剛度和工作負載的要求 以盡可能低的重量獲得較好的可鑄性、在鑄件品質中取決於鑄件的填充和凝固、缺陷和結構力學取決於幾何形狀、減少缺陷提高鑄件品質、集成鑄造模擬開發及壓鑄過程的技術影響。

本文選用的鑄件為Panamera G1 的車殼，在幾何中有星型肋及單一的肋條，整體形狀較為複雜，考量到鑄件的幾何複雜有其他變數不利進行研究，所以會先使用基礎模型(如圖3)進行參數研究，透過表1進行品質判定，評估結構強度及鑄件品質後，整理出一系列的相關流程後(如圖4)，再使用Panamera G1 的車殼來探討(如圖5)。

圖3 基礎模型參數

表1 鑄件品質判斷

圖4 研究流程圖

圖5 Panamera G1 的車殼

三、分析設置

透過前章節的流程進行基礎模型的研究(如圖6)，將零件透過應力分析軟體計算出機械性能並分區檢視肋條的效應整理出規則，應用於實際零件中，再繪製流道及溢料井完成鑄件本體，後續透過FLOW-3D進行充型及凝固的模擬，透過捲氣、氧化物、縮孔…等缺陷判斷來進行最佳化。

圖6 基礎模型分區研究分析

圖7 零件最佳化流程

四、研究結果

基礎模模型研究主要是探討肋的角度、數量及高度，由圖8的分析結果可以看到等角度分配的肋在壓鑄時有捲氣存在，由圖9的分析結果可以看到減重22%能然可以達到一定要求的機械強度，並且鑄造時無明顯缺陷存在。

圖8 基礎模型肋不同夾角的分析結果

圖9 基礎模型不同減重比率的分析結果

依據基礎模型的研究結果進行鑄件的優化，由圖10可看出原始設計在荷重時有應力集中的現象，經過肋條的優化後有明顯的改善，最終減重了8.5%仍然有高強度的機械性能及良好的鑄造性。

圖10 鑄件分析結果

五、結論

1. 在本文的研究中開發方法能夠在開發的初期階段設計出結構件的“最佳”設計。該方法可提升鑄件品質、可鑄性和剛性的要求。

2. 鑄造性是使用質量指數來評估，該指數依據典型的鑄造缺陷來自填充和凝固，例如捲氣、冷接紋、氧化物夾雜、縮孔或其他孔隙。

3. 開發流程可以適應不同的鑄造製程，例如壓鑄、砂模鑄造和永久型鑄造以及鋁或鎂等不同的材料。