Nuovi spazi di lavoro per ogni processo e un modello di solidificazione all'avanguardia SANTA FE, NM, 16 giugno 2020 - Flow Science, Inc. ha annunciato un'importante release del suo software di simulazione di processo di fonderia, FLOW-3D CAST v5.1, una piattaforma di modellazione che combina una straordinaria precisione con versatilità, facilità d'uso e cloud computing ad alte prestazioni. FLOW-3D CAST v5.1 è dotata di nuovi spazi di lavoro per i processi di investment casting, per la produzione di anime in sabbia, per la colata centrifuga e per la colata continua, nonché di un modello di solidificazione della lega basato sulla composizione chimica in grado di prevedere le caratteristiche meccaniche del pezzo alla fine del processo, di un database per manicotti esotermici e di una migliorata funzionalità di creazione interattiva delle geometrie. FLOW-3D CAST dispone ora di 11 spazi di lavoro che coprono lo spettro di tutte le applicazioni di fonderia, che possono essere acquistate singolarmente o in bundle. "L'offerta di FLOW-3D CAST per spazio di lavoro offre alle fonderie e agli stampisti la flessibilità necessaria per bilanciare le loro esigenze con i costi, al fine di affrontare le crescenti sfide e le richieste del settore manifatturiero", ha dichiarato il Dr. Amir Isfahani, CEO di Flow Science. Il nuovissimo modello di solidificazione di FLOW-3D CAST v5.1 fa avanzare il settore nella prossima frontiera della simulazione della fusione: la capacità di prevedere la resistenza e le proprietà meccaniche dei pezzi fusi riducendo al contempo gli scarti e continuando a soddisfare i requisiti di sicurezza e prestazioni del prodotto. Accedendo a un database di composizioni chimiche delle leghe, gli utenti possono prevedere la resistenza a trazione, l'allungamento e la conducibilità termica per comprendere meglio sia le proprietà meccaniche che la microstruttura del pezzo. "Questa release fornisce un pacchetto completo - un concetto di spazio di lavoro ritagliato sul processo per ogni applicazione di colata abbinato al nostro ineguagliabile riempimento e, ora, alle innovative analisi di microstruttura e solidificazione. Le conoscenze dei nostri esperti di fonderia sono state riversate nelle impostazioni predefinite di ogni spazio di lavoro, mettendo i nostri utenti sulla strada del successo ogni volta che eseguono una simulazione. FLOW-3D CAST v5.1 sta per prendere d'assalto il settore", ha detto il Dr. Isfahani. Inoltre, i database per i coefficienti di trasferimento del calore, gli sfiati, le presse e i manicotti GTP Schäfer forniscono informazioni a portata di mano degli utenti. Il nuovo database dei riser esotermici insieme allo strumento di identificazione dei punti caldi di solidificazione aiuta gli utenti a posizionare con precisione i riser e prevenire il ritiro previsto. Il 15 luglio alle 19:00 si terrà un webinar live che illustrerà i nuovi sviluppi e come applicarli ai flussi di lavoro di fonderia. E' possibile registrarsi fin d'ora all'indirizzo: https://zoom.us/webinar/register/WN_gF4S7-oLR0SLO1MBZ80x0Q Per una descrizione dettagliata dei miglioramenti della versione FLOW-3D CAST v5.1, andare su: https://www.flow3d.com/products/flow-3d-cast/flow-3d-cast-v5-1/ … [Leggi di più...]
Simulazione ed ottimizzazione per minimizzare difetti di fonderia
L'ottimizzazione è la ricerca di una o più soluzioni migliori relativamente ad un certo problema. All’interno di questo settore un ottimizzatore è un software in grado di identificare, suggerire ed eventualmente verificare l'insieme ideale di variabili di input che fornisce le migliori soluzioni progettuali tra tutte quelle possibili. Nella maggior parte dei casi le relazioni sottostanti tra i parametri di controllo (detti input) e le performance misurate (detti output) sono sconosciute o difficili da risolvere. A volte, inoltre, per poter ottenere la risposta del sistema è necessario avvalersi di complessi modelli numerici che richiedono molto tempo per poter produrre l’output desiderato: esempio tipico è quello dell’utilizzo di simulatori di processo di fonderia, nei quali il risultato della simulazione, in funzione dei parametri scelti, è frutto di un lungo e complesso calcolo di termofluidodinamica 3D. Figura 1 - Schematizzazione del processo di ottimizzazione Il software di ottimizzazione IMPROVEit è in grado di interfacciarsi con molteplici applicativi, tra cui il simulatore di processo FLOW-3D® CAST (Flow Science inc.), e connetterli tra loro per poter definire in maniera completa un flusso di lavoro da poter essere eseguito ripetutamente e in modo automatizzato con lo scopo di ottenere la miglior soluzione nel minor tempo possibile, riuscendo a comprendere la natura e la complessità del problema. Caso studio: Ottimizzazione della fase di iniezione In questo caso studio, mostrato per gentile concessione di FORM S.r.l., durante la progettazione della stampata di coperture di batterie in ambito automotive mediante pressocolata sono state riscontrate molte zone in cui è presente un elevato quantitativo di porosità da gas. Si è scelto quindi di utilizzare l’ottimizzazione con lo scopo di ridurre i difetti agendo sul design dei canali di colata e ottimizzando la velocità del pistone. Visti i nostri scopi gli input del flusso di lavoro scelti sono stati i valori della curva di velocità del pistone in prima fase e una vasta gamma di parametri geometrici dei canali gestiti tramite interazione tra ottimizzatore e software CAD parametrico, mentre gli obiettivi sono la miglior calibrazione dell’arrivo del metallo agli attacchi di colata e la riduzione della quantità di aria intrappolata nella lega durante questa prima fase del riempimento. Il flusso è così strutturato: l’ottimizzatore interagisce direttamente con un software CAD parametrico per variare automaticamente la forma dei canali di colata e successivamente esporta le geometrie in formato STL; questi ultimi file vengono poi utilizzati dal software di processo per simulare il riempimento, a valle del quale vengono estratti ed elaborati gli output Figura 2 - Parametri dell'ottimizzazione della fase di iniezione, per gentile concessione di Form S.r.l. Dovendo valutare due obiettivi contemporaneamente è possibile trovare una serie di differenti risultati ottimali di compromesso tra i due output ricercati, che compongono l’insieme dette fronte di Pareto. A fronte del fatto che un ciclo di flusso di lavoro richiede mediamente all’incirca 20 minuti si è deciso di eseguire l’ottimizzazione su 20 chiamate totali. Sulla base di esse la configurazione scelta è posizionata al centro del fronte di Pareto e presenta quindi un buon compromesso per avere un basso e più uniforme possibile tempo di arrivo agli attacchi di colata, migliore del 10% rispetto al setup iniziale, ed al contempo ottenere una minima quantità di aria intrappolata, il 13% inferiore rispetto ai dati iniziali. Figura 3 - Confronto tra soluzione iniziale et ottimizzata, per gentile concessione di FORM S.r.L. Questo caso studio mostra quindi come l'automazione e l’ottimizzazione numerica della progettazione di un prodotto, intesa come design, simulazione, interpretazione dei risultati e modifiche, aiuti a risparmiare molto tempo e come sia possibile ottenere dei miglioramenti importanti anche a fronte di un numero limitato di chiamate. … [Leggi di più...]
Ottimizzare il design per la produzione di massa
Introduzione La fase di sviluppo di un prodotto prevede varie fasi di calcolo e di design che prevedono una serie di passi predefiniti atti al raggiungimento della fase di produzione di massa. In vista di questo obiettivo, tenendo conto dell'elevato numero di pezzi da produrre, ogni risparmio di materiale è vantaggioso e rilevante dal punto di vista economico. Le parti coinvolte nella produzione hanno infatti la necessità di ridurre il materiale di scarto (rilevante per la fonderia) e di ridurre del peso dei componenti (rilevante per il cliente finale). Il processo di ottimizzazione della forma del prodotto aiuta entrambe le parti (fonderia e cliente) ad avere il giusto compromesso per avere un adeguato risparmio ottenendo la massima qualità dei pezzi prodotti. In questo articolo mostreremo il processo di ottimizzazione del design per la produzione di massa di un prodotto di fonderia, utilizzando un software di ottimizzazione e un simulatore di processo. Il fine è di analizzare la solidificazione del metallo presente nel sistema d’interesse e di valutare come l’ottimazione aiuti entrambe le parti coinvolte a trarne profitto. Sviluppo del progetto Figura 1 - Componente da produrre Il componente che si vuole ottimizzare in questo studio è prodotto mediante una colata di metallo in sabbia, una delle tecniche più antiche, semplici ed economiche. La fase preliminare di design ha fornito un prototipo in formato stereolitografia (STL) già potenzialmente buono per la produzione (il modello è stato fornito in gentile concessione da Flow Science Deutschland). Nell’immagine [Figura 1] si notano il sistema di alimentazione del sistema (in giallo) e la geometria del pezzo da produrre (in rosso). Il peso del solo pezzo di questa configurazione di partenza è di 2.197kg, quello dell’intero sistema è di 3.126kg. L’obiettivo principale è quello di ottenere un peso complessivo del sistema il minore possibile senza avere porosità significative nel pezzo, agendo su alcuni particolari delle geometrie stesse. I parametri scelti per esser modificati, al fine di ottenere il miglior risultato possibile, sono le dimensioni dell’alimentatore [Figura 2], lo spessore della parete verticale più vicina all’alimentazione e lo spessore della zona di transizione tra le due pareti [Figura 3.]. Figura 2 - Promi parametro dell'ottimizzazione Figura 3 - Secondo e terzo parametro dell'ottimizzazione Le variabili in gioco sono quindi potenzialmente molteplici ed esplorarne manualmente tutte le possibili combinazioni può essere un lavoro molto lungo e complesso. Per questo motivo si è scelto di avvalersi di un ottimizzatore numerico, in grado di esplorare le soluzioni in modo autonomo. In particolare, è stato scelto IMPROVEit, che grazie alla sua interfaccia semplice permette di svolgere agevolmente sia la fase di setup che l’elaborazione dei risultati. Come simulatore di processo, invece, si è scelto FLOW-3D® CAST per la precisione, l’affidabilità e la semplicità di utilizzo nell’ambito di simulazioni di fonderia. Per modificare la forma geometrica il software di ottimizzazione consente sia di interfacciarsi direttamente a CAD parametrici, qualora si disponesse del file in formato originale, sia di modificare direttamente all’interno di IMPROVEit un file STL, nel caso in cui, come in questo test, si disponesse solo di quest’ultimo. Una volta scelti i parametri da modificare, il software è in grado di modificare internamente la forma delle geometrie, lanciare le simulazioni di solidificazione interfacciandosi con il software di processo FLOW-3D® CAST utilizzando le geometrie modificate, estrarre i risultati delle analisi ed elaborarli con opportuni nodi matematici per ottenere la quantità da ottimizzare. La [Figura 4] mostra il foglio di lavoro del nostro caso Figura 4 - Rete di ottimizzazione La simulazione della solidificazione è stata impostata per rilevare la dimensione delle porosità da ritiro presente a fine simulazione in quattro volumi di controllo che dividono altrettante quattro zone distinte la geometria del pezzo ([Figura 5]), blu scuro la parte superiore, giallo la parte centrale, ciano la parte sinistra e magenta la parte destra. Di questi, solo tre sono rilevanti ai fini dell’ottimizzazione, in accordo con il committente: la porosità presente nella parte superiore (blu scuro) non è stata presa in considerazione. Nella configurazione iniziale il volume di porosità totale da ritiro nei tre volumi di controllo considerati è di 581mm3 Figura 5 - Volumi di controllo Esecuzione Ai fini del processo di ottimizzazione si è scelto di avere due obiettivi ed un vincolo, rispettivamente minimizzare il peso del sistema di alimentazione, minimizzare il peso del pezzo e avere un volume di porosità nei tre volumi di controllo scelti sotto una soglia sufficientemente bassa da poter considerare il pezzo esente da difetti visibili. Impostare un’ottimizzazione con due obiettivi ed un vincolo … [Leggi di più...]
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 … [Leggi di più...]
Una nuova frontiera nella simulazione dei difetti da gas
I software di simulazione di processo sono, grazie alla loro elevata affidabilità, efficienza e precisione, sempre più utilizzati quotidianamente: molti dei difetti che comunemente si riscontrano nei pezzi di fonderia sono già colti con successo dai modelli numerici esistenti e riescono quindi ad essere prevenuti. Queste tecnologie sono in rapida evoluzione e, grazie anche alla disponibilità sempre maggiore di potenza di calcolo, si è oggi in grado di simulare problemi molto complessi suddividendo il dominio con milioni di celle. Nonostante ciò alcuni importanti aspetti fisici hanno dimensioni caratteristiche che rimangono ben più piccole della dimensione della cella della griglia: proprio nella modellazione di questi fenomeni vengono introdotte le principali approssimazioni, non potendo simularle direttamente. Tra le sfide numeriche che propongono i modelli "sotto-griglia" – quelli che coinvolgono appunto fenomeni fisici con una lunghezza caratteristica più piccola della dimensione di cella – una delle più grandi è simulare accuratamente ed efficacemente le più piccole bolle d'aria che restano inglobate all’interno del metallo. IL SOFTWARE FLOW-3D® CAST L’obiettivo che ci si pone è dunque mostrare le soluzioni attuali disponibili per la simulazione e l’analisi dell’inglobamento d’aria e proporre una soluzione innovativa in grado di ovviare ai limiti dei metodi tradizionale. Per fare ciò è stato utilizzato il software FLOW-3D® CAST, uno dei software più accurati nella modellazione di una vasta gamma di processi di fonderia. Le sue peculiarità sono la capacità di interpretare con grande accuratezza le geometrie del pezzo mediante l’algoritmo FAVOR, nonostante l’utilizzo di una griglia strutturata, e l’assoluta precisione nella modellazione del movimento della lega fluida durante la fase di riempimento, sfruttando l’algoritmo TruVOF. Inoltre il software dispone di numerosi modelli numerici in grado di simulare tutti le fisiche e le particolarità caratterizzanti i processi di fonderia, dal ciclo termico di preriscaldamento all’estrazione finale del pezzo dallo stampo. Grazie a tutto ciò è possibile realizzare simulazioni con una elevata precisione nella determinazione della posizione dei difetti legati alla fase di riempimento. FLOW-3D® CAST, inoltre, ha un codice parzialmente open-source e facilmente personalizzabile: consentendo di creare nuovi modelli numerici o di migliorare quelli esistenti, il software si adatta perfettamente allo scopo del presente lavoro. MODELLI NUMERICI PER SIMULARE L’INGLOBAMENTO D’ARIA All’interno di FLOW-3D® CAST sono da tempo presenti diversi approcci per simulare l’inglobamento d’aria, di complessità crescente. L’approssimazione più semplice consiste nel trascurare completamente l’influenza dell’aria sul metallo, ad eccezione di una condizione di pressione costante ed uniforme imposta sulla superficie esposta della lega liquida. Con questa approssimazione il metallo si comporta come se si fosse creato all’interno dello stampo un vuoto perfetto, o analogamente come se l’aria potesse essere evacuata istantaneamente da un qualunque punto dello stampo. La modellazione più completa, invece, consiste nel simulare anche la dinamica dell’aria, calcolandone la velocità in ogni punto. Sebbene sia possibile considerare la fluidodinamica completa ed accoppiata di metallo e aria simultaneamente, nella maggior parte dei casi ciò non è necessario. A causa della relativamente piccola influenza dell'aria sulla superficie densa e viscosa del metallo, infatti, è possibile ridurre notevolmente i tempi di calcolo concentrando la maggior parte delle risorse sulla risoluzione del moto della lega. D'altra parte trascurare completamente l'influenza dell'aria non consente di ottenere delle soluzioni realistiche del problema, sia in termini di dinamica del riempimento sia per quanto riguarda l’individuazione delle difettosità connesse alla presenza dell’aria. Per ottenere il miglior compromesso tra velocità di simulazione e precisione del risultato, considerando tutti i fenomeni fisici che hanno un’influenza rilevante durante la fase di riempimento di un processo di pressocolata, all’interno di FLOW-3D® CAST si è scelto di non calcolare la dinamica completa dell’aria ma di approssimarne i contributi principali con due modelli numerici aggiuntivi: l’aria infatti può essere inglobata nel fluido perché completamente circondata da esso, sotto forma di bolle comprimibili (bubble model), o intrappolata come quantità dispersa per effetto della turbolenza (air entrainment model). Air Entrainment model Il modello di intrappolamento d'aria, o “air entrainment model” [1], è stato sviluppato negli anni ’90 per simulare l'effetto della turbolenza sulla superficie di un liquido in movimento. Durante il riempimento, infatti, le alte velocità in cui si trova il fluido sono sufficienti a disturbare la superficie al punto da inglobare aria sotto forma di microscopiche bolle. Ogni singola particella … [Leggi di più...]
