Desarrollo de simulación de piezas estructurales de fundición a presión de torres de choque (tecnología de fundición a presión extranjera)

El proceso de simulación de fundición se ha convertido en una parte integral del acelerado proceso de desarrollo. En este caso, el enfoque del desarrollo se centra en la optimización de componentes y la mejora de procesos. La tecnología de simulación moderna puede proporcionar estructuras que sean confiables y rastreables. Normalmente, el primer proceso de simulación debería iniciarse durante la fase de investigación. Aunque la empresa no ha recibido ningún pedido, las empresas deberían realizar más investigaciones sobre los componentes en cuestión. Las cotizaciones deben elaborarse de la forma más realista y práctica posible para evitar sorpresas al inicio de la producción y evitar así aumentos innecesarios de costes. Por lo tanto, al compilar una cotización, aunque es imposible determinar con qué empresa finalmente realizará el cliente un pedido, y la empresa tiene requisitos más altos, menos tiempo y ningún pago por adelantado, se puede sacar una conclusión realista y factible.

Simulación durante la fase de desarrollo

La simulación debe costar lo menos posible y, al mismo tiempo, los resultados deben presentarse lo más rápidamente posible y reflejar la realidad con la mayor precisión posible. A pesar de la presión del tiempo, los resultados resultantes para el llenado del molde, el régimen de flujo, el caudal, las inclusiones de aire, la porosidad, la temperatura del molde, etc. deben ser lo más precisos y convincentes posible. La simulación debe respaldar y mejorar las conclusiones sobre las herramientas o los costos de producción para que las cotizaciones sean lo más precisas posible.

Aquí se toma como ejemplo para ilustrar una estructura de fundición a presión de torre de choque hecha de aleación de aluminio AlSi10MgMn. Pesa 5,9 kg y tiene un espesor de pared de 2,5 mm. El conjunto se funde a presión al vacío y se mecaniza CNC en la zona de los orificios de montaje. Además, está tratado térmicamente para aumentar su resistencia y ductilidad. El conjunto mide aproximadamente 530 x 520 x 440 mm.

En el campo de la carrocería, las piezas estructurales de aluminio fundido a presión siempre han competido con las chapas de acero de alta resistencia. En comparación con el acero, las piezas estructurales de aluminio ofrecen ventajas como una alta integración funcional, una precisión dimensional excepcional y capacidades especiales de absorción de energía, lo que hace que los componentes de aluminio sigan siendo muy atractivos en términos de coste y tasa de crecimiento.

De acuerdo con los requisitos mencionados anteriormente, una interfaz intuitiva y fácil de operar y una entrada rápida de parámetros específicos son esenciales para un sistema de simulación. La "utilizabilidad" del sistema es un elemento esencial para un procesamiento sencillo y rápido, ya que es posible que los usuarios no trabajen con el sistema de simulación todos los días. Para ello, se han diseñado características relevantes en el sistema Inspire Cast 2019 para mantener los gastos lo más bajos posible.

Antes de comenzar, se deben responder algunas preguntas básicas (Figura 1):

> ¿Dónde debe colocarse la escritura (roja)?

> ¿Dónde se requiere el puerto de desbordamiento (verde)?

> ¿Necesitas un núcleo (azul)?

> ¿Necesitas un alfiler (naranja)?

> ¿Dónde se puede colocar la unidad de refrigeración?

> ¿Dónde se requiere la calefacción?

Después de resolverlos, veremos el concepto de puerta en un segundo ejemplo (desde afuera (Fig. 2, izquierda) y desde el centro (Fig. 2, derecha)). Ambos requieren conceptos de herramientas diferentes, cada uno de los cuales implica un costo diferente, por lo que pueden compararse. Ambos conceptos se pueden encontrar en la industria y ambos tienen muchas ventajas y desventajas propias, dependiendo de las necesidades, cantidades, etc.

Para el proceso de simulación, el conjunto de datos CAD se importará al sistema de simulación Inspire Cast. Para ello se utilizan como interfaces los traductores nativos Catia, NX, ProEngineer, Inventory y Solid Works, así como los traductores STEP y Parasolid neutrales al sistema. El sistema es compatible con Parasolid-Kernel, que ahora se utiliza ampliamente en la industria. En el sistema Inspire Cast, las ubicaciones de las puertas se pueden configurar con precisión con solo unos pocos clics después de que se haya importado CAD la pieza fundida. Estas características están diseñadas de tal manera que los elementos geométricos relevantes puedan proyectarse y alinearse fácilmente con áreas de sección transversal definidas en tan solo unos minutos. Por lo tanto, no es necesario un costoso diseño CAD del sistema de puerta en un sistema CAD externo.

Dado que los datos 3D a menudo pasan por varias interfaces antes de ingresar al departamento de computación, un mecanismo de ajuste interno garantiza que los datos de área erróneos o los datos de volumen no internos se corrijan si es necesario. El coste de preparación del modelo y de los cálculos nocturnos es insignificante. Los datos CAD puros en el formato especificado por parte del cliente o del departamento de desarrollo son un requisito previo para una importación fluida y un cálculo rápido. La creación de redes en el sistema lnspireCast según el método FEM permite reproducir con mucha precisión el contorno de la pieza fundida. Además, la malla FEM se refina automáticamente en paredes más delgadas (por ejemplo, dentro de secciones), lo que permite una precisión mejorada.

Relación del tiempo empleado en el proceso de simulación de los dos sistemas de puertas (no estructurado):

Paso de exportación/importación CAD/prasolid: 10 minutos

Configuración de parámetros: 20 minutos

Cálculo de llenado/carga media: 4 horas

Cálculo de solidificación / carga media: 1 hora

Tiempo total (por proceso de simulación): ~5,5 horas

Evaluación de resultados: 4 horas

Tiempo total necesario para sacar conclusiones: 9 horas

Resultados de llenado de molde Sección 1, Lado

La turbulencia típica del proceso de fundición a presión se puede observar en el área de la compuerta al comienzo del llenado del molde. El aire se acumula en los lados de la sección, por lo que esta ubicación debe ventilarse más tarde. En comparación con el sistema de compuerta en el otro extremo del módulo, posteriormente se requiere una gran área de ventilación (Figura 3). Como se puede ver en el proceso posterior, se puede omitir gran parte del diseño planificado del puerto de escape lateral.

Resultados de solidificación Sección 1, Lado

Los cálculos de solidificación revelan la porosidad en la cúpula helicoidal, que debe tratarse con un núcleo o, si es necesario, con un pasador de extrusión. Dado que la sección ha sido solidificada previamente, no se puede realizar la optimización en la etapa 3 (Fig. 4).

Resultados de llenado/solidificación de moho Sección 2, Centro

Los resultados se muestran en la Figura 5. El llenado del molde a través de la puerta central es uniforme. Como se puede ver en la figura, es necesario diseñar varias ubicaciones de ventilación alrededor del conjunto (Figura 6). La solidificación es casi idéntica a la del sistema de compuerta lateral. La rápida solidificación de la sección evita que ejerzamos alguna influencia sobre la porosidad del sistema de compuerta central.

Comparación de la ventilación entre la puerta lateral 1 y la puerta central 2

Una comparación de las inclusiones de aire causadas por la turbulencia muestra que la concentración esperada ocurre en el sistema de compuerta lateral en comparación con la sección transversal. Luego se debe instalar allí el sistema de vacío (Figura 7).

Comparación de resultados

En la Tabla 1 se enumera la comparación de las dos secciones. En este caso, según la tendencia de desarrollo actual, el sistema de compuertas laterales es la mejor opción. Como se mencionó anteriormente, ambas opciones se pueden encontrar en la práctica, donde los diseños varían según la geometría de los componentes o factores de costo como el volumen o la productividad de la máquina.

Preparación para la producción

Durante la fase de desarrollo, el proceso de simulación puede finalizar debido a una decisión final. El siguiente paso después de que el cliente realiza un pedido es la preparación de la producción. Para ello, primero verifique las características de flujo del sistema de compuerta lateral. En este caso, utilizaremos una carcasa simple y compararemos diferentes geometrías de sección transversal (Figura 8). Aquí se consideran dos secciones tangenciales con diferentes ángulos de entrada y dos secciones sectoriales con diferentes secciones transversales de entrada. La sección tangencial no parece funcionar en absoluto para nuestro caparazón. Inmediatamente detrás de la entrada se crea un área de presión negativa del pistón, con turbulencia y aumento de aire que ingresa al conjunto. Todavía se puede observar un flujo turbulento en el rango de ampliación lateral (Opción 3) incluso en el sector de la entrada unilateral (por ejemplo, en el lado eyector de la matriz). La estructura mejor deformada utiliza una entrada circular al final de la compuerta del ventilador, donde ya no se observa turbulencia durante la simulación (Escenario 4) (Figura 9). Las simulaciones demuestran la ventaja de la sección sectorial, es decir, se reduce significativamente la entrada de aire en la fundición a presión.

Las inclusiones de aire causadas por turbulencias ciertamente no son la única medida del llenado exitoso del molde. Sin embargo, en un proceso de simulación relativamente económico, cada criterio puede estudiarse con mayor precisión y optimizarse para reducir gradualmente las fuentes de error. Hoy en día, nuestros modelos de producción agregarán sistemas de compuertas realistas y sistemas de escape funcionales (Figura 10). Además, al simular en condiciones de producción también se deben tener en cuenta factores como la geometría del molde o de la pieza y los circuitos de calor/refrigeración. Ajustamos el modelo en consecuencia y lo definimos en el sistema Inspire Cast.

Modelo de producción de resultados de llenado de moldes

Nuestra primera consideración es el llenado del molde (Fig. 11) como resultado del cálculo. El llenado de la matriz se realiza de forma lateralmente especificada con varias secciones sectoriales. Como era de esperar, el aire presente en el sistema se acumulará en el área de escape (Figura 12).

Solidificación de modelos de producción

La porosidad desfavorable en la zona del orificio de montaje es una situación inevitable, como se confirmó durante el desarrollo y durante las simulaciones anteriores. El sistema de sección transversal se solidificó después de 1,0 segundo, por lo que no fue posible rellenar más el área crítica (Figura 13). Por lo tanto, dentro de la cúpula, sólo el núcleo o la extrusora pueden lograr el efecto deseado.

Influencia del dispositivo de refrigeración durante la simulación

Durante la simulación se simuló toda la planta de refrigeración. El efecto de los dispositivos de refrigeración debería estudiarse a nivel regional. Si la porosidad se ve afectada por un enfriamiento específico, se debe cambiar y calcular el enfriamiento en el área de los orificios de montaje. La temperatura se calculó 5 segundos después de finalizar el llenado del molde. Al calcular la temperatura, la distancia entre una vez y el contorno es de 25 mm, y la distancia entre una vez es de 10 mm. La diferencia de temperatura calculada es sólo 2°C. Primero se excluyen otros efectos como la pulverización o el tiempo de ciclo. De esto se desprende que se espera que el efecto causado por la rápida solidificación de la carcasa lateral de fundición a presión sea pequeño en este caso. Para ello, considere utilizar alfileres de compresión.

En conclusión

Se pueden calcular resultados de simulación convincentes para el llenado y solidificación del molde a una fracción del costo al principio del proceso de desarrollo de la fundición. Los resultados están disponibles en unas pocas horas con un gasto insignificante en entrada de datos y esfuerzo computacional. Los datos CAD son un requisito previo para este trabajo. La formulación de cotizaciones o estimaciones en relación con las actividades de producción previstas puede apoyarse decisivamente y reflejarse con mayor precisión. Desde hace algún tiempo, Inspire Cast proporciona una herramienta fácil de usar y muy convincente.

Para la producción, se requieren simulaciones más profundas, se deben ajustar las técnicas de fundición típicas (como guías de fundición, diseño de sección transversal y desbordamiento, etc.) y se optimizan las condiciones térmicas en la herramienta para garantizar que el proceso de simulación no ocurra ningún problema y se optimizan aún más. Las funciones predefinidas ya están disponibles en el sistema Inspire Cast. Los comentarios de las empresas industriales muestran un alto grado de concordancia entre los resultados de la simulación y los componentes reales. Sobre esta base, próximamente se lanzará el acoplamiento termomecánico de Inspire Cast, por lo que se tendrán en cuenta situaciones más prácticas.