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...]
Investigation of Mould Leakages in a Gravity Casting
This article was contributed by Gabriele Taricco of CM Taricco and Stefano Mascetti of XC Engineering. Mould design is a very complex undertaking that must consider not only fluid dynamics and metal solidification patterns, but problems that may arise from the mould itself and how it reacts to stresses from heat transfer. CM Taricco, a mould maker company based in Italy, recently encountered a problem of metal leakages at the bottom of one of their new moulds. The cause of the mould leakages was initially obscure and only appeared after a few process cycles. It was evident that the problem was critical, since it would compromise the production timeline and dramatically increase the costs to cast the part. Investigation of an idea The process itself was a gravity casting, with well-controlled pouring dynamics and overflow designs, so the problem could not come from the fluid dynamics part. The hypothesis of Gabriele Taricco (owner of CM Taricco) was that the metal leakages were resulting from a bad design of the thermal dissipation of the mould, causing a non-uniform distribution of temperature and hence large and unwanted deformations at the bottom of the mould, that were enforced cycle after cycle up to the opening of a critical area where metal could flows out. To verify this and to find a quick solution to the problem, a FLOW-3D simulation was run to exactly visualize what was happening to the mould as it was being heated. The analysis After a filling simulation, to ensure a good filling pattern, the focus of the simulation was redirected to a thermal die cycling analysis. The setup in this case is fast and straightforward requiring only 1 hour to reproduce 10 production cycles on a common desktop machine (i7 5930K, commercial value 1500 dollars). The result confirmed CM’s initial hypothesis: by looking at the temperature field, from various points of view and cross sections in a single image using FlowSight, it was clear that the temperature distribution of the mould would easily cause the expected deformations and metal leakages. Simulation of the mould’s temperature during the die cyclings Further analysis with the Fluid-Structure Interaction module Once the problem was identified and the technical staff could start designing an improved mould, CM Taricco wanted to have a final confirmation running a FEM analysis of stresses and deformations on the die. To perform this analysis, XC Engineering Srl helped CM in setting up and performing the calculation. The result of the analysis showed exactly what CM thought was happening: FLOW-3D was able to reproduce with extreme accuracy the same location and size of the real deformations found on the mould after few pouring cycles. This was good news for CM, and enforces an additional recommendation to use the FSI module at the design stage to predict the real die deformations based on the real casting conditions. Deformation of the mould during the die cyclings, simulated using the Fluid Structure Interaction model. Deformations are amplified x20. Read more... … [Read more...]
