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. … [Read more...]
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 … [Read more...]
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 … [Read more...]
Colata a bassa pressione, problemi di solidificazione precoce
Nei processi di colata a bassa pressione, il metallo liquido viene spostato attraverso un tubo di risalita da un forno , tipicamente in ceramica, in uno stampo metallico. Per fare ciò, il forno viene pressurizzato in modo incrementale in modo da poter controllare l'altezza del metallo liquido e imporre un'elevata compressione finale, una volta che il pezzo è completamente riempito. In questo processo le materozze non sono necessarie, in questo modi si riducono i costi di taglio, ed è possibile ottenere pezzi con un'ottima finitura superficiale e con porosità molto bassa. In ogni caso, la portata del metallo e la temperatura dello stampo devono essere accuratamente calcolati per trovare il miglior compromesso tra velocità del processo e qualità del pezzo finale. Infatti, una portata troppo grande potrebbe portare ad un flusso molto turbolento e ad un eccessivo intrappolamento d'aria; d'altra parte, un riempimento troppo lento (in combinazione con una temperatura bassa dello stampo) potrebbe provocare una solidificazione precoce, impedendo il riempimento completo del pezzo. Utilizzando FLOW-3D® CAST è stato possibile riprodurre attraverso una simulazione accurata, il processo reale, in cui non si ottiene un riempimento completo. Il flusso nel tubo di risalita non è incluso nel setup, imponendo la portata direttamente all'ingresso dello stampo metallico, con la sua temperatura reale. La figura 1 mostra il fluido a metà della fase di riempimento, colorato con la frazione solida. Da questa figura si nota già la solidificazione precoce, sottolineando l'eccessiva velocità di raffreddamento. Figura 1 - Fronte di solidificazione La figura 2, invece, mostra la forma finale dell'alluminio, confrontata con un'immagine della parte reale. La solidificazione del fronte metallico crea un blocco che costringe il metallo ancora liquido a scorrere intorno ad esso fino alla parte superiore del getto, dove si solidifica generando anche un grande foro nella forma finale. Figura 2 - Difetti di solidificazione prematura Il video, infine, mostra la dinamica completa del flusso, sottolineando la fase di solidificazione iniziale e mostrando in dettaglio come il metallo rallenta e si ferma a causa della crescente frazione solida. https://youtu.be/x-VaIm05q6s Video della dinamica del riempimento e della solidificazione … [Read more...]
Sleeve filling and slow shot phase analysis with FLOW-3D Cast
High pressure Die Casting is a complex field of foundry. The liquid hot metal is generally poured into a shot sleeve for few seconds, until the desired volume is reached. Then, after a short waiting time, the plunger pushes the metal into the die cavity. First a slow shot phase is performed to avoid air entrainment in the sleeve, then a final high speed phase that fill the casting part in a very short amount of time. One of the targets of any producer is to find the best compromise between a fast process, to increase the productivity and to reduce the heat losses, and a slow filing and shot necessary to minimize the air entrainment. FLOW-3D Cast, due to its capabilities, is one of the best software to analyse this process. It can combine easily moving objects, mass sources, heat transfer and solidification, everything in fast and accurate simulations. Several studies were already done to determine the best plunger velocity curve, also coupling FLOW-3D Cast to numerical optimization software. The aim of the present simulation, instead, is to focus on the sleeve filling, underlining the possibility to control also this phase and the defects that could arise from a not-optimal solution. https://www.youtube.com/watch?v=cGQUmH8EHZ0 In the video both fluid and walls are coloured by temperature, with two different colour scales. The heat transfer coefficients have been artificially increased to emphasize the temperature change. Thanks to this fact, it is possible to notice that some drops of metal flow on the beginning of the runner system, solidifying and influencing the casting phase until they are melted again. It is possible also to notice the big waves generated when the filling is finished, and how this waves contribute to entrain some big air bubbles that are pushed into the casting part, generating defects. … [Read more...]
