Simulación Computacional en Tecnología de la Fundición - Inyeccion Aluminio - Gravedad PAM-QuikCast – ESI-group (Francia) “Colada por gravedad – ferrosos y no ferrosos” 7 Diciembre 2004 Disertantes: Lic. Julieta Brignone - ESI-Group Dr. Raul Mingo - INTI-Mecánica Diego Lorenzo - INTI-Mecánica Centro de Invetsigación y Desarrollo en Mecánica

Simulación Computacional Agenda 1. Objetivos 2. Ejemplo de aplicación 2.1 Preparación del modelo 2.2 Cálculo: Llenado + Solidificación 2.3 Resultados 3. Prestaciones adicionales

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®

PREPARACIÓN DEL MODELO 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 Crear un nuevo estudio File / New Define el nombre del nuevo estudio Permite al usuario seleccionar la ubicación del directorio Muestra la versión utilizada Define el directorio que contendrá el archivo del estudio

2.1.2 PREPARACIÓN DEL MODELO 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.

2.1.3 PREPARACIÓN DEL MODELO El modelo seleccionado es el siguiente Modelo exhibido con el mallado discreto del color correspondiente a cada elemento Modelo exhibido con las caras sombreadas y sin bordes.

2.1.4 PREPARACIÓN DEL MODELO 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

2.1.5 PREPARACIÓN DEL MODELO Material Database / Mold material / Properties

2.1.6 PREPARACIÓN DEL MODELO 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.

CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 2.2 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Ingreso de Datos Condiciones de borde Parámetros de solidificación Gravedad 2) Parámetros de salida 3) Comienzo del cálculo

2.2.1 CALCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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

2.2.3 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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.

2.2.4 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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

2.2.5 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN En una colada por gravedad, en general, es necesario definir al menos dos presiones: Presión de colada (Pouring Pressure). P = r.g.h Presión de referencia (Reference Pressure). P = 0

2.2.6 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Presión de Colada

2.2.7 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Presión de Referencia

2.2.8 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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”

2.2.9 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Define el nombre de la condición de borde Especifica el porcentaje de fluido contenido en el volumen seleccionado Condición: Impuesta: el volumen de entrada se mantiene lleno durante toda la colada. Inicial: Se utiliza cuando se trabaja con moldes inicialmente (parcialmente) llenos. Selecciona el volumen al cual se le aplicará la condición.

2.2.10 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

2.2.11 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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.

2.2.12 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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.

2.2.13 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN TEMPERATURE Esta condición de borde se utiliza para definir la temperatura relacionada al proceso durante las secuencias de llenado y solidificación. Define el nombre de la condición de borde Permite considerar una temperatura constante o función del tiempo 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) Selecciona el objeto al cual se le aplicará la temperatura. Por lo general se trata de volúmenes.

2.2.14 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Temperatura de Colada

2.2.15 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Temperatura del noyo

2.2.16 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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.

2.2.17 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Define el nombre de la condición de borde La temperatura exterior puede ser constante o definida por una función La emisividad (e) puede ser constante o definida por una función Permite definir el tipo de intercambio con el exterior

2.2.18 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Molde exterior

2.2.19 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Metal libre

2.2.20 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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

2.2.21 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Define el nombre de la condición de borde Define el espesor de la capa líquida Permite seleccionar entre la base de datos estándar o la creada por el usuario Permite definir el material de la capa Permite definir la superficie a la cual se le asigna la capa

2.2.22 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

2.2.23 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Ingreso de Datos: Parámetros de Solidificación Process / Solidification Material Parameters

2.2.24 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Ingreso de Datos: Gravedad Process / Gravity Permite especificar el valor y la dirección de la gravedad.

2.2.25 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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).

2.2.26 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

2.2.27 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

2.2.28 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

2.2.29 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

2.2.30 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN

2.2.31 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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.

2.2.32 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN Comienza la simulación de solidificación a partir del último estado guardado en el módulo de llenado. Comienza el cálculo de solidificación a partir del último estado guardado. Comienza la simulación de solidificación a partir de t = 0 seg.

2.2.33 CÁLCULO: LLENADO + SOLIDIFICACIÓN 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 Llenado y Solidificación 2) Defectos 3) Curvas

PRESTACIONES ADICIONALES 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

Filtros de Espuma Cerámica 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 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. 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.

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.

Diciembre de 2004