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Instituto Nacionalde Tecnología Industrial

Simulación Computacional en Tecnología de la Fundición - Inyeccion Aluminio - Gravedad PAM-QuikCast – ESI-group (Francia)

“Colada por gravedad – ferrosos y no ferrosos”

Disertantes: Lic. Julieta Brignone - ESI-Group Dr. Raul Mingo - INTI-Mecánica

Diego Lorenzo - INTI-Mecánica

Centro de Invetsigación y Desarrollo en Mecánica

•7 Diciembre 2004

Agenda

Simulación Computacional

1. Objetivos

3. Prestaciones adicionales

2. Ejemplo de aplicación

2.1 Preparación del modelo

2.2 Cálculo: Llenado + Solidificación

2.3 Resultados

1.

OBJETIVOS

Obtener una visión general del procedimiento seguido para simular un proceso de fundición

Presentar e interpretar los resultados obtenidos

Conocer las prestaciones adicionales que provee el programa

2.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Los pasos a seguir en el modelado de un proceso de fundición son, a grandes rasgos, similares en los distintos programas de simulación y se pueden resumir en los siguientes puntos

• Creación del modelo de la pieza y el molde

• Selección de los materiales y sus propiedades

• Mallado del modelo/ Corrida de la simulación

• Evaluación de los resultados

• Modificar y volver a simular

A fines ilustrativos se presenta a continuación el procedimiento a seguir para trabajar con el programa PAM-QUIKCAST®

2.1

PREPARACIÓN DEL MODELO

1) Crear un nuevo estudio

2) Importar el archivo PMF

3) Especificar la aleación y el material del molde

2.1.1 PREPARACIÓN DEL MODELO

1) Crear un nuevo estudio

File / New

Define el nombre del nuevo estudio

Muestra la versión utilizada

Define el directorio que contendrá el archivo del estudio

Permite al usuario seleccionar la ubicación del directorio


2) Importar el archivo PMF

Un archivo PMF (Pam Model File) es aquel que contiene los datos correspondientes a la geometría y el mallado.

Haciendo clic en este botón se abre el cuadro de diálogos para seleccionar el archivo.


El modelo seleccionado es el siguiente

Modelo exhibido con las caras sombreadas y sin bordes.Modelo exhibido con el mallado discreto del color correspondiente a cada elemento


3) Especificar la aleación y el material del molde

Como primer paso hay que verificar que tanto la aleación como el material del molde se encuentren en la base de datos del programa y verificar que las propiedades termofísicas sean las correctas.

Material Database / Alloy Material / Properties


Material Database / Mold material / Properties


Para definir la aleación a utilizar en la colada y el material del molde, se sigue la secuencia:

Model / Domains / Volume Domains

Luego hacer clic en el botón Materials. Esto abre la base de datos de materiales. Se puede seleccionar entre aleación y molde de acuerdo al dominio de volumen que se considere.

Seleccionar el dominio de volumen, por ejemplo, VINLET.

2.2

CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

1) Ingreso de Datos

Condiciones de borde

Parámetros de solidificación

Gravedad

2) Parámetros de salida

3) Comienzo del cálculo

2.2.1 CALCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

1) Ingreso de Datos: Condiciones de borde

Process / Input Data Check

2.2.2 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

a) Hydraulic Conditions

(Condiciones Hidráulicas)

Pressure

Velocity

Piston

Initial Fluid

Permeability

Air Venting

Filter

Ceramic Foam Filter

Surface Roughness

b) Thermal Conditions

(Condiciones Térmicas)

Temperature

External Exchange

Implicit Mold

Die Coating

Thermal Coefficients

Exothermic Material

Extended Surfaces

Cooling

Die Spray

Mold Opening


En el caso de una colada por gravedad, las condiciones de borde básicas a utilizar son:

a) Hydraulic Conditions

(Condiciones Hidráulicas)

Pressure

Initial Fluid

Permeability

b) Thermal Conditions

(Condiciones Térmicas)

Temperature

External Exchange

Die Coating

Para crear, modificar o eliminar cualquiera de las condiciones de borde presentadas, hacer clic con el botón derecho del mouse sobre la condición deseada y luego seleccionar la opción “Add”, “Modify” o “Delete”, según corresponda.


PRESSURE

Define el nombre de la condición de borde

Permite considerar una presión constante o función del tiempo

Selecciona el objeto al cual se le aplicará la presión. Por lo general se trata de superficies


En una colada por gravedad, en general, es necesario definir al menos dos presiones:

Presión de colada (Pouring Pressure). P = .g.h

Presión de referencia (Reference Pressure). P = 0


Presión de Colada


Presión de Referencia


INITIAL FLUID

Esta condición de borde se utiliza durante la secuencia de llenado. Representa el volumen que siempre contiene metal durante la fase de llenado, alimentando al resto de la cavidad.

En una aplicación de colada por gravedad, la cavidad se llena a través de una corriente de metal. Por lo tanto, es necesario modelar un cilindro o cubo que represente la llegada del metal al basin. Es necesario aplicar condiciones de borde de presión o velocidad a las superficies pertenecientes a este volumen de modo de activar el flujo del metal y llenar la cavidad.

“Si esta condición de borde no está presente, el cálculo del llenado nunca comenzará”



Especifica el porcentaje de fluido contenido en el volumen seleccionado

Selecciona el volumen al cual se le aplicará la condición.

Condición:

• Impuesta: el volumen de entrada se mantiene lleno durante toda la colada.

•Inicial: Se utiliza cuando se trabaja con moldes inicialmente (parcialmente) llenos.


PERMEABILITY

Esta condición de borde se utiliza para modelar el flujo del aire dentro de la cavidad, es decir, simula el escape del aire a través del material poroso del molde (ej. Arena).

Hay que tener en cuenta que:

Si no se impone esta condición de borde, el aire no podrá escapar, y por lo tanto, se detendrá el llenado del molde.

La permeabilidad se aplica a aquellas superficies que representan la frontera entre el molde y el metal.


Permeability GF: Valor de la permeabilidad dada por el índice George Fisher.

Average mold thickness: Espesor promedio del molde. Este es inversamente proporcional a la permeabilidad de la arena.


TEMPERATURE

Esta condición de borde se utiliza para definir la temperatura relacionada al proceso durante las secuencias de llenado y solidificación.


Permite considerar una temperatura constante o función del tiempo

Selecciona el objeto al cual se le aplicará la temperatura. Por lo general se trata de volúmenes.

Condición:

• Impuesta: la temperatura será impuesta durante un período o secuencia (llenado, solidificación o ambos).

•Inicial: la temperatura será inicializada al comienzo de una secuencia (llenado, solidificación o ambos).

Permite definir en que fase se aplica la temperatura (llenado o solidificación o ambas)


Temperatura de Colada


Temperatura del noyo


EXTERNAL EXCHANGE

Esta condición de borde, cuando se aplica a las superficies externas del dominio, es usada para modelar todos los componentes del intercambio térmico con el exterior y en especial, los efectos de radiación y convección.



Permite definir el tipo de intercambio con el exterior

La temperatura exterior puede ser constante o definida por una función

La emisividad () puede ser constante o definida por una función


Molde exterior


Metal libre


DIE COATING

Die coating es una capa líquida que se aplica al molde ya sea para reducir los choques térmicos debidos al metal fundido, o bien, para facilitar la eyección de la pieza en el caso de fundición en molde permanente.

Esta condición de borde permite modelar el efecto térmico de esta capa calculando una resistencia térmica equivalente a partir de:

• El espesor de la capa

• La conductividad de la capa

• La resistencia de adherencia de la capa



Permite definir el material de la capa

Define el espesor de la capa líquida

Permite seleccionar entre la base de datos estándar o la creada por el usuario

Permite definir la superficie a la cual se le asigna la capa


Ingreso de Datos: Parámetros de Solidificación

Process / Solidification Material Parameters


Ingreso de Datos: Gravedad

Process / Gravity

Permite especificar el valor y la dirección de la gravedad.


2) Parámetros de salida

Calculation / Output Parameters

Esta opción permite al usuario determinar la frecuencia de salida de los archivos de resultado y definir “puntos históricos” y “puntos de trazado”.

Dependiendo del tipo de parámetros de salida que se desee especificar, se cuenta con cuatro solapas para el manejo de los resultados (Filling, Solidification, History Points y Tracing Points).


3) Comienzo del cálculo

Calculation / Start Calculation

Comienza la simulación de llenado estándar a partir de t = 0 seg.

Comienza la simulación de llenado a partir del último estado guardado realizado por el módulo de solidificación.

Comienza el cálculo a partir del último estado guardado realizado por el módulo de llenado.


Comienza la simulación de solidificación a partir del último estado guardado en el módulo de llenado.

Comienza la simulación de solidificación a partir de t = 0 seg.

Comienza el cálculo de solidificación a partir del último estado guardado.


Comienza una simulación de llenado seguida de una simulación de solidificación.

Comienza la simulación de llenado a partir del último estado guardado realizado por el módulo de solidificación o el módulo de ciclos.

2.3

RESULTADOS

1) Llenado y Solidificación

2) Defectos

3) Curvas

3.

PRESTACIONES ADICIONALES

Existe la posibilidad de simular elementos secundarios utilizados para reducir y/o eliminar los defectos en las piezas fundidas.

Algunos de estos son:

Filtros de Espuma Cerámica

Manguito Exotérmico

3.1

Filtros de Espuma Cerámica

Se utilizan para remover las inclusiones no metálicas, películas de óxido que quedan atrapadas en la superficie, y son envueltas por el metal y arrastrada al interior del molde.

3.2

El modelado del filtro se lleva a cabo diseñando un dominio de superficie ubicado en la entrada o salida del volumen ocupado por el filtro.

Solo se modela el efecto global del filtro, en especial la pérdida de carga.

El programa permite simular el efecto que ejerce este tipo de filtro sobre el flujo del metal líquido a través de la ley de Darcy, la cual establece que la velocidad es directamente proporcional a la caída de presión en el filtro.

3.3

Ventajas:

La filtración ayuda a proporcionar un flujo uniforme de metal por el sistema de distribución del colado.

Los FEC eliminan material de inclusión en el metal, y la pieza colada es más limpia.

Los FEC aumentan la productividad en el taller de maquinado porque limitan las inclusiones superficiales o subsuperficiales en una pieza colada.

El uso de FEC también puede mejorar las propiedades mecánicas de las piezas coladas, como la ductilidad, porque las inclusiones pueden causar discontinuidades o actuar como iniciadores de grietas.

3.4

Manguito Exotérmico

Un manguito exotérmico es un cilindro (circular u ovalado) constituido por una mezcla de arena, aluminio y oxidantes unidos por alguna resina.

La oxidación del aluminio libera una gran cantidad de calor que se utiliza para mantener el metal líquido en el montante y permitir la alimentación de la pieza durante la solidificación.

3.5

¿Cómo se simula?

El programa simula este elemento asignando a un volumen destinado a representar al manguito, las condición de borde “material exotérmico”.

3.6

El dato de entrada es la potencia por metro cúbico que entrega el exotérmico. Se puede introducir un valor constante, una función del tiempo o una función de la temperatura.

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