Avec de nouveaux espaces de travail et un modèle de solidification de pointe SANTA FE, NM, 16 juin 2020 - Flow Science, Inc. a annoncé la sortie d'une version majeure de son logiciel de simulation de la coulée des métaux, FLOW-3D CAST v5.1, une plateforme de modélisation qui combine une précision extraordinaire avec la polyvalence, la facilité d'utilisation et le cloud computing haute performance. FLOW-3D CAST v5.1 comporte de nouveaux espaces de travail pour la coulée à la cire perdue, la fabrication de noyaux en sable, la coulée centrifuge et la coulée continue, ainsi qu'un modèle de solidification des alliages basé sur la chimie capable de prédire la résistance de la pièce à la fin du processus, une base de données étendue de manchons exothermiques et une création de géométrie interactive améliorée. FLOW-3D CAST dispose maintenant de 11 espaces de travail de processus qui couvrent le spectre des applications de coulée, qui peuvent être achetés individuellement ou en lots. "Le fait d'offrir des espaces de travail FLOW-3D CAST par procédé donne aux fonderies et aux ateliers d'outillage et de matriçage la flexibilité nécessaire pour équilibrer leurs besoins et leurs coûts, afin de répondre aux défis et aux demandes croissantes du secteur manufacturier", a déclaré le Dr Amir Isfahani, PDG de Flow Science. Le tout nouveau modèle de solidification de FLOW-3D CAST v5.1 fait progresser l'industrie vers la prochaine frontière de la simulation de la coulée - la capacité de prédire la résistance et les propriétés mécaniques des pièces coulées tout en réduisant les déchets et en répondant aux exigences de sécurité et de performance des produits. En accédant à une base de données des compositions chimiques des alliages, les utilisateurs peuvent prédire la résistance à la traction, l'allongement et la conductivité thermique ultimes afin de mieux comprendre à la fois les propriétés mécaniques et la microstructure de la pièce. "Cette version offre un ensemble complet - un concept d'espace de travail axé sur le processus pour chaque application de moulage, associé à notre remplissage sans précédent et, maintenant, à nos analyses révolutionnaires de microstructure et de solidification. Des connaissances spécialisées en matière de moulage préchargent les composants sensibles et les valeurs par défaut pour chaque espace de travail, mettant ainsi nos utilisateurs sur la voie du succès à chaque fois qu'ils effectuent une simulation. FLOW-3D CAST v5.1 va prendre d'assaut l'industrie", a déclaré le Dr Isfahani. De plus, les bases de données sur les coefficients de transfert thermique, les évents, les machines HPDC et les manchons GTP Schäfer fournissent des informations à portée de main des utilisateurs. La nouvelle base de données sur les manchons exothermiques et l'outil d'identification des points chauds de solidification aident les utilisateurs à les placer avec précision d'éviter le rétrécissement prévu. Un webinaire en direct présentant les nouveaux développements et la manière de les appliquer aux flux de coulée aura lieu le 15 juillet à 19h00. L'inscription est possible à l'adresse suivante : https://zoom.us/webinar/register/WN_gF4S7-oLR0SLO1MBZ80x0Q Pour une description détaillée des améliorations de la version 5.1 de FLOW-3D CAST, consultez le site : https://www.flow3d.com/products/flow-3d-cast/flow-3d-cast-v5-1/ … [Lire plus...]
Simulation et optimisation pour minimiser les défauts de moulage
L’optimisation est la recherche de la ou les meilleure(s) solution(s) à un certain problème. Dans ce secteur, il s’agit d’un logiciel capable d’identifier, de suggérer et finalement de vérifier la meilleure combinaison de variables d’entrée offrant la solution la plus adaptée parmi toutes celles possibles. Dans la plupart des cas, la relation sous-jacente entre les paramètres de contrôle (appelés variables d’entrée) et les performances mesurées (appelées variables de sortie) est inconnue ou difficile à trouver. De plus, il arrive de temps en temps qu’afin de trouver la réponse adaptée au système, il soit nécessaire d’utiliser des modèles numériques complexes qui demandent beaucoup de temps pour atteindre le résultat désiré : typiquement, c’est le cas lors de l’utilisation des simulateurs de processus en fonderie, dans lesquelles les résultats sont, en fonction des paramètres, le fruit de calculs de dynamique thermo fluide 3D longs et complexes. Figure 1- Schéma du processus d’optimisation Le logiciel d’optimisationIMPROVEit est capable de comprendre la nature et la complexité d’un problème et de faire l’interface entre de nombreuses applications, dont le simulateur de processus FLOW-3D® CAST (Flow Science inc.), et de les connecter entre elles afin de définir une trame de travail qui peut être parcourue de manière répétée et automatique afin d’obtenir la meilleure solution en un temps le plus réduit possible. Etude de cas : Optimisation de la phase d’injection Dans cette étude de cas présentée par FORM S.r.L. sur la conception de moules pour couvertures de batteries faites par HPDC, beaucoup d’endroits dans la structure présentaient de hauts taux de porosité dus au gaz. Il a donc été décidé d’utiliser l’optimisation afin de réduire les défauts en agissant sur la conception des chaines de moulage et en jouant sur la vitesse du piston. Pour nos besoins, les valeurs liées à la vitesse du piston dans la première phase ainsi que de nombreux paramètres géométriques liés aux chaines dirigées par les interactions entre l’optimisateur et le logiciel de CAD paramétrique ont été choisis comme variables d’entrée, l’objectif étant d’obtenir la meilleure calibration sur l’arrivée du métal au point de connexion du moulage et de réduire la quantité d’air entrainé dans l’alliage durant la première phase de remplissage. La trame de travail de l’optimisateur est structurée de la manière suivante : l’optimisateur communique directement avec le logiciel de CAD paramétrique afin de changer automatiquement la forme des chaines de moulage puis exporte automatiquement les modèles géométriques au format STL ; ces fichiers STL sont ensuite utilisés par le logiciel FLOW-3D® CAST afin de simuler le remplissage. Enfin les variables de sortie sont extraites et traitées. Figure2 – Paramètres d’optimisation de la phase d’injection, courtesy of Form S.r.l. Lorsque deux objectifs sont évalués en même temps, il est possible de trouver une série de résultats optimaux différents faisant des compromis sur l’une ou l’autre des variables de sortie, appelé Front de Paréto. Etant donné que pour ce cas la trame de travail était parcourue en 20 minutes, il a été décidé de la parcourir une vingtaine de fois. Cela étant dit, la configuration choisie est, dans ce cas, positionnée au centre du front de Paréto et, de ce fait, présente un bon compromis entre une arrivée lente et aussi uniforme que possible jusqu’au moule, de 10% plus effective que dans la configuration initiale, et une quantité minimale d’air entrainé, de 13% plus optimisé qu’à l’origine. Figure 3 - Comparaison entre les solutions initiale et optimisée, courtesy of Form S.r.l. Cette étude de cas montre donc en quoi l’automatisation et l’optimisation numérique de conception de produit, la simulation, l’interprétation des résultats et des changements permettent de gagner beaucoup de temps, et comment il est possible de parvenir à des améliorations importantes même en ne faisant tourner le programme d’optimisation qu’un nombre réduit de fois. … [Lire plus...]
Optimiser la conception pour la production de masse
Introduction La phase de développement d'un produit implique différentes phases de calcul et de conception qui fournissent une série d'étapes prédéfinies pour atteindre la phase de production en série. Au vu de cet objectif, compte tenu du nombre élevé de pièces à produire, toute économie de matière est avantageuse et pertinente d'un point de vue économique. Les parties impliquées dans la production ont besoin de réduire les déchets (avantageux pour la fonderie) et de réduire le poids des composants (avantageux pour le client final). Le processus d'optimisation de la forme du produit aide les deux parties (fonderie et client) à trouver les bons compromis afin de pouvoir faire des économies adéquates tout en conservant des pièces de qualité maximale. Dans cet article, nous montrerons le processus d'optimisation de la conception pour la production en série d'un produit de fonderie en utilisant un logiciel d'optimisation et un simulateur de processus. L'objectif est d'analyser la solidification du métal présent dans le système dont il est question, et d'évaluer comment l'optimisation permet aux deux parties impliquées d'en tirer profit. Développement du projet Figure 1 - Composant à produire Le composant à optimiser dans cette étude est réalisé par une coulée de métal en sable, l'une des techniques les plus anciennes, simples et économiques. La phase de conception préliminaire a fourni un prototype en format stéréolithographique (STL) déjà potentiellement bon pour la production (le modèle a été fourni en nature avec l'autorisation de Flow Science Deutschland). Sur l'image [Figure 1], vous pouvez voir le système d'alimentation du système (en jaune) et la géométrie de la pièce à produire (en rouge). La masse de la pièce unique de cette configuration de départ est de 2.197kg, celui de l'ensemble du système est de 3.126kg. L'objectif principal est d'obtenir, en agissant sur certains détails des géométries elles-mêmes, une masse totale du système aussi faible que possible sans avoir de porosité significative dans la pièce. Afin d'obtenir le meilleur résultat possible, les paramètres désignés comme modifiables sont la taille du système d’alimentation [Figure 2], l'épaisseur de la paroi verticale la plus proche de ce dernier et l'épaisseur de la zone de transition entre les deux parois [Figure 3]. Figure 1 - Premier paramètre d'optimisation Figure 3 - Deuxième et troisème paramètres d'optimisation Les variables en jeu sont donc potentiellement multiples, et explorer manuellement toutes les combinaisons possibles peut être un travail très long et complexe. C’est pour cette raison que nous avons choisi d'utiliser un optimiseur numérique capable d'explorer les solutions de manière indépendante. IMPROVEit a donc été choisi. Son interface simple vous permet d'effectuer facilement à la fois la phase d’initialisation et le traitement des résultats. FLOW-3D® CAST a été également choisi comme simulateur de procédé pour sa précision, sa fiabilité et sa facilité d'utilisation en fonderie. En ce qui concerne la modification de la forme géométrique, le logiciel d'optimisation permet à la fois d’interagir directement avec la CAO paramétrique si le fichier est en format original, ou de modifier directement dans IMPROVEit un fichier STL si, comme c’est le cas dans ce test, seul ce dernier est disponible. Une fois les paramètres à corriger sélectionnés, le logiciel peut modifier en interne la forme des géométries, lancer les simulations de solidification en interaction avec le logiciel de traitement FLOW-3D® CAST en utilisant les géométries modifiées, extraire les résultats des analyses et les traiter avec les nœuds mathématiques appropriés pour obtenir le résultat optimisé. La [figure 4] montre la feuille de travail de notre étude de cas. Figure 4 - Réseau d'optimisation Afin de détecter la dimension de la porosité de retrait présente à la fin de la simulation de la solidification, quatre volumes de contrôle divisant la géométrie en quatre zones distinctes ont été mis en place ([Figure 5]), la partie supérieure est en bleu foncé, la partie centrale en jaune, la partie gauche en cyan et la partie droite en magenta. Parmi celles-ci, seules trois sont pertinentes pour l'optimisation, d’après les exigences du client : la porosité présente dans la partie supérieure (bleu foncé) n'a pas été prise en compte. Dans la configuration initiale, le volume total de porosité de retrait dans les trois volumes de contrôle considérés est de 581 mm3. Figure 5 - Volumes de contrôle Exécution Pour les besoins du processus d’optimisation, deux objectifs et une contrainte ont été désignés : minimiser le poids du système d’alimentation ainsi que celui du poids de la pièce, tout en faisant en sorte que les défauts de la pièce ne soient pas visibles, ce qui représente une contrainte sur le volume de porosité dans les trois volumes de contrôle. La mise en place d'une optimisation avec deux … [Lire plus...]
Minimizing air entrainment in shot sleeve
M. Barkhudarov, Flow Science Inc., Santa Fe, New Mexico; S. Mascetti, XC Engineering, Italy; R. Pirovano, XC Engineering, Italy Abstract High pressure die casting is one of the most complex processes in the foundry world due to the wide range of physical phenomena and process parameters that control the outcome. A particular challenge is achieving optimal conditions in the shot sleeve from which metal is injected into the die cavity. The speed of the plunger in a horizontal shot sleeve must be carefully controlled to avoid unnecessary entrainment of air in the metal and, at the same time, minimize heat losses in the sleeve. The paper presents a general solution for the flow of metal in a shot sleeve, based on the shallow water approximation of the interaction of the moving plunger and liquid metal. The derived analytical solution allows engineers to precisely control the behavior of metal in the shot sleeve during the slow-shot stage of the high pressure die casting process, minimizing the risk of air entrainment. Results are validated with three-dimensional numerical modeling of the process. Coupled with parametric optimization, the numerical model can improve the process conditions predicted by the analytical model. Introduction The speed of the plunger in a horizontal shot sleeve must be carefully controlled to avoid unnecessary entrainment of air in the metal and at the same time minimize heat losses in the sleeve. If the plunger moves too fast, large waves are created on the surface of the liquid metal that may overturn and entrain air into the metal, which will then be carried into the die cavity. A plunger moving too slow results in waves reflecting from the opposite end of the shot sleeve. The reflected waves prevent proper expulsion of air into the die cavity. In either case, the outcome is excessive porosity in the final casting. Moreover, a slow plunger increases also oxidation of the free surface of liquid metal, and the heat losses because of the long contact time with the mold walls. In this article two approaches are used to limit these effects: a general solution for the plunger speed as a function of time and a full-physics, three-dimensional CFD optimization. Mathematical model The dynamics of waves in a horizontal shot sleeve can be analyzed by drawing an analogy with flow in an open channel. A detailed analysis is possible by modeling the flow of metal in a rectangular shot sleeve of length L and height H (justified for initial fill fractions in the range of 40-60% [1]) using the shallow water approximation [3]. In this approximation the flow in the vertical direction is neglected in comparison with the horizontal velocity component. The flow is modeled in two dimensions, with the x axis directed along the direction of motion of the plunger, and the z axis pointing upwards. If viscous forces are omitted, then the flow has only one velocity component, u, along the length of the channel. The plunger speed in the positive x direction is given by dX/dt=X’(t), where X(t) defines the position of the plunger at time t>0. At the moving surface of the plunger, the velocity is defined as . As the plunger moves along the length of the channel it sends waves traveling forward along the metal surface. Each wave is associated with a small segment of the metal free surface and the column of metal directly below it (Fig. 1). The location, metal speed and depth in a wave that separates from the surface of the plunger at time t=tp are given by [3]: (1) Where According to Eq. (1), the metal speed, u, and depth, h, in each wave are constant and depend only on the time of the wave separation from the plunger, tp. They both increase with the speed of the plunger X’. Therefore, the first conclusion is that to maintain a monotonic slope of the metal surface in the direction away from the plunger, the latter must not decelerate. If this condition is not satisfied, then there will be waves sloped in both directions. When they reflect off the end of the sleeve and travel back towards the plunger, it creates unfavorable conditions for the evacuation of air from the sleeve and into the die cavity. Figure 1: Schematic representation of the flow in a shot sleeve and the coordinate system. Controlling the Waves Once a wave detaches from the plunger it travels at a constant speed given by (2) If the plunger accelerates, then each successive wave will move faster than the waves generated earlier. This will lead to a steepening of the surface slope as the waves travel further down the channel, and can potentialy result in overturning. If the speed of the plunger can be controlled as to limit the wave steepening during the slow shot stage, then the overturning can be avoided. Figure 2: The illustration for calculation of the slope of the metal’s free surface. Let us analyze the evolution … [Lire plus...]
Une nouvelle frontière dans la simulation des défauts de gaz
Grâce à leur grande fiabilité, leur efficacité et leur précision, les logiciels de simulation de procédé sont de plus en plus utilisés au quotidien : de nombreux défauts couramment rencontrés dans les pièces de fonderie sont déjà saisis avec succès par les modèles numériques existants et peuvent donc être évités. Ces technologies évoluent rapidement et, grâce à la disponibilité croissante de la puissance de calcul, on est maintenant en mesure de simuler des problèmes très complexes en divisant le domaine par millions de cellules. Malgré cela, certains aspects physiques importants ont des dimensions qui restent bien inférieures à la taille de la cellule de la grille : dans la modélisation de ces phénomènes sont introduites les approximations principales, ne pouvant les simuler directement. Parmi les défis numériques qui proposent les modèles "sous-grille" - ceux qui impliquent précisément des phénomènes physiques dont la longueur caractéristique est inférieure à la taille de la cellule - l'un des plus importants est de simuler avec précision et efficacité les plus petites bulles d'air qui restent dans le métal. LE LOGICIEL FLOW-3D® CAST L'objectif est donc de montrer les solutions actuelles disponibles pour la simulation et l'analyse de l'incorporation de l'air et de proposer une solution innovante capable de dépasser les limites des méthodes traditionnelles. Ceci a été réalisé à l'aide du logiciel FLOW-3D® CAST, l'un des logiciels les plus précis pour la modélisation d'une large gamme de procédés de fonderie. Ses particularités sont la capacité d'interpréter avec une grande précision les géométries de la pièce grâce à l'algorithme FAVOR, malgré l'utilisation d'une grille structurée, et la précision absolue dans la modélisation du mouvement de l'alliage fluide pendant la phase de remplissage, en utilisant l'algorithme TruVOF. De plus, le logiciel dispose de nombreux modèles numériques capables de simuler l'ensemble de la physique et des particularités caractérisant les procédés de fonderie, depuis le cycle thermique de préchauffage jusqu'à l'extraction finale de la pièce dans le moule. Grâce à cela, il est possible d'effectuer des simulations avec une grande précision pour déterminer la position des défauts liés à la phase de remplissage. De plus, FLOW-3D® CAST dispose d'un code partiellement open-source facilement personnalisable : permettant la création de nouveaux modèles numériques ou l'amélioration de modèles existants, le logiciel s'adapte parfaitement au but de ce travail. MODÈLES NUMÉRIQUES POUR SIMULER L'INCORPORATION DE L'AIR Dans FLOW-3D® CAST, il existe différentes approches pour simuler l'incorporation d'air, de complexité croissante. L'approximation la plus simple est d'ignorer complètement l'influence de l'air sur le métal, sauf pour une condition de pression constante et uniforme imposée sur la surface exposée de l'alliage liquide. Avec cette approximation, le métal se comporte comme si un vide parfait avait été créé à l'intérieur du moule, ou comme si l'air pouvait être évacué instantanément de n'importe où dans le moule. La modélisation la plus complète, en revanche, consiste à simuler aussi la dynamique de l'air, en calculant sa vitesse à chaque point. Bien qu'il soit possible de prendre en compte simultanément la dynamique complète et couplée des fluides du métal et de l'air, cela n'est pas nécessaire dans la plupart des cas. En raison de l'influence relativement faible de l'air sur la surface dense et visqueuse du métal, il est possible de réduire considérablement le temps de calcul en concentrant la plupart des ressources sur la résolution du mouvement de l'alliage. Par contre, négliger complètement l'influence de l'air ne permet pas d'obtenir des solutions réalistes au problème, tant au niveau de la dynamique de remplissage qu'au niveau de l'identification des défauts liés à la présence d'air. Afin d'obtenir le meilleur compromis entre la vitesse de simulation et la précision du résultat, compte tenu de tous les phénomènes physiques qui ont une influence significative pendant la phase de remplissage d'un procédé de coulée sous pression, il a été décidé dans le cadre de FLOW-3D® CAST de ne pas calculer la dynamique complète de l'air mais d'en estimer les apports principaux avec deux modèles numériques supplémentaires : en effet, l'air peut être incorporé dans le fluide parce qu'il en est complètement entouré, sous forme de bulles compressibles (modèle à bulles), ou piégé comme une quantité dispersée par l'effet de turbulence (modèle à entraînement d'air). Air Entrainment model Le modèle d'entraînement de l'air[1] a été mis au point dans les années 1990 pour simuler l'effet de la turbulence à la surface d'un liquide en mouvement. En effet, lors du remplissage, les vitesses élevées auxquelles le fluide est trouvé sont suffisantes pour perturber la surface au point d'incorporer de l'air sous forme de bulles microscopiques. Chaque particule d'air est beaucoup plus … [Lire plus...]
