問題解決能力を育成できる鋳造現象の可視化教育

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鋳造における凝固の過程では引け巣やブローホールなどの鋳造欠陥が生じやすい。溶解した鉄や非鉄の湯が鋳型の中でどのように流れているのかを把握することは困難である。そこで、ビデオカメラによる湯流れの様子やサーモグラフィーによる温度分布を可視化するために1200℃耐熱バイコールガラスを用いて半割り状の可視化用鋳聖を製作した。まず、学生に対してスズやビスマス等の100℃程度で溶解する低融点合金と可視化用鋳型を用いて湯流れの様子を自由に観察させ、鋳造という概念をわかりやすく理解してもらった。約700℃で溶解する鋳造用アルミ合金を用いても同様のことを行った。これらの方法により鋳造実習において学生にどうして鋳造欠陥が起きたのかという問題を提議し、鋳造欠陥を防ぐために鋳造方案の一つとしてより良い湯道等を検討・改善させた。また、鋳造における凝固現象を数値解析によって予測するため、従来の差分法にVOF(Volume Of Fluid)法を導入し、潜熱・体積変化・相変化を考慮した熱流動数値解析プログラムを試作した。このプログラムによって凝固過程における温度分布・固液分布・速度分布を把握することができた。数値解析結果と実際のアルミ鋳造における温度分布の結果を比較することによりプログラムの妥当性が得られた。これらは、学生に対して日本の代表的産業である鋳造に興味を持ってもらうことと、湯流れの様子と鋳造欠陥との関係を理解し,鋳造欠陥がでないように配置を改善させることにより問題解決能力を養う一つの教材として用いることができた。なお、この成果は平成19年度実験・実習技術研究会(徳島大学)にて口頭発表を行った。VOF法を用いた潜熱・体積変化・相変化を考慮したプログラムは有用であるため、相変化を題材としたテーマで日本伝熱シンポジュウムへの講演発表を予定している。