- Corpo Ottico (Simulazione di Verifica) -

In  questo esempio, Flowservice si è presa carico di ottimizzare uno stampo già in produzione; il quale presentava problematiche non trascurabili, che portavano ad avere numerosi quantitativi di scarto durante la produzione. In figura viene mostrata la geometria del manufatto.

 

Problema riscontrato durante lo stampaggio

Il problema principale del manufatto in esame si manifestava sul prodotto stampato mettendo in evidenza diverse superfici del pezzo con qualità superficiale scarsa. La causa principale di questo tipo di problemi è solitamente legata alla variazione di temperatura nel metallo durante il riempimento.

I fattori legati a questo fenomeno sono principalmente:

1.Spessori del pezzo
Se non correttamente progettati portano ad uno sbilanciamento della mappa termica durante le varie fasi del riempimento.

2.Forma del getto
Getti con forme particolari, ove sono presenti, ad esempio, strozzature o isole all’interno del manufatto, comportano un incremento dei problemi legati alle differenze di temperatura.

3.Tempo di riempimento
Se gli attacchi di colata sono ben progettati, più è basso e migliore sarà la finitura superficiale. Indicativamente, visto lo spessore medio del pezzo e le richieste superficiali non si dovrebbe superare un tempo di riempimento pari a 0,035 – 0,040 secondi, calcolato grazie all’utilizzo della formula NADCA. Questo tempo però è legato alla geometria della materozza, che dovrebbe essere progettata in modo migliore della attuale.

4.Disegno dell’alimentazione
N non deve avere strozzamenti, punti caldi, o aumenti di sezione. Non dovrebbe sussistere la situazione in cui la sezione agli attacchi risulta maggiore che nel tratto adiacente della materozza, come invece in questo caso.

5.Velocità all’attacco di colata
D deve essere elevata, restando però nei limiti legati alla metallizzazione dello stampo. Non bisogna infatti superare i 45–50 m/sec. Questo parametro è direttamente legato al tempo di riempimento voluto.

6.Temperatura della lega
P più è elevata e migliore sarà la finitura superficiale; bisogna fare attenzione a problemi di ossidazione, assorbimento di idrogeno e metallizzazioni per temperature troppo elevate. Il range consigliato è tra 680°C e 700°C.

7.Temperatura dello stampo
maggiore è la temperatura e minore è il rischio di tali difetti (un range ottimale per la temperatura all’estrazione può essere valutato tra 250°C e 330°C. Con valori elevati della forchetta per pezzi con spessori elevati come in questo caso.

Possono essere presi in considerazione anche rivestimenti ausiliari dello stampo per ritardare il raffreddamento nelle zone critiche.

 

Valutazione del processo attuale

Prima di eseguire la simulazione del processo di stampaggio per il pezzo in studio si sono verificate alcune condizioni di lavoro utilizzate durante le prime produzioni. La più importante indicazione che si è ottenuta da queste valutazioni è che il tasso di riempimento della camera, per la realizzazione di questo manufatto, risulta essere eccessivamente basso. Questo fatto, mantenendo tutti gli altri parametri invariati, comporta un possibile peggioramento della qualità finale del pezzo. Infatti un tasso di riempimento così basso non garantisce un corretto riempimento della camera in quanto porta ad avere eccessive cadute di temperatura già in questa fase del ciclo, oltre ad incrementare i problemi legati all’inglobamento di gas durante il riempimento, con la maggior presenza di aria nello stampo.

Con il diametro del pistone di 100 mm ed una pressa con 580 mm di corsa utile in camera, si arriva ad avere un tasso di riempimento non superiore al 39 %. Questo valore è troppo basso; infatti è consigliabile lavorare in un range tra il 50% ed il 75% di riempimento della camera, stando preferibilmente sui valori maggiori della forchetta indicata per pezzi con particolari richieste. Pertanto si consiglia di utilizzare un pistone di diametro 80 mm, se disponibile, oppure di cambiare pressa per accorciare la lunghezza della camera. Tenendo sempre presente che serve una pressa con tonnellaggio relativamente elevato per poter realizzare questo pezzo ad alte velocità di riempimento (basso tempo) per rendere meno rilevanti i cali di temperatura durante il processo.

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Parametri utilizzati in simulazione con la geometria originale

• Materiali: Stampo = H13; Metallo = Al-EN-AC 46100 AlSi11Cu2(Fe).
• Coefficiente di scambio termico tra metallo e stampo = variabile da 2500 W/m^2/K a 7500 W/m^2/K nel range di temperatura tra 350-700 °C con profilo lineare.
• Temperatura del metallo in corrispondenza della superficie del biscotto = 660 °C.
• Velocità media di prima fase = 0.25 m/sec.
• Velocità di seconda fase = 3 m/sec (legata alle dimensioni del cono dell’alimentazione).
• Temperatura media dello stampo = 260 °C.
• Diametro pistone = 100 mm.
• Area degli attacchi di colata = 606 mm^2.
• Area minore di passaggio materiale nella colata = 400 mm^2.
• Lunghezza totale della camera = circa 580 mm

 

Indicazioni della simulazione sulla geometria originale

Grazie alla simulazione è stato possibile ottenere diverse indicazioni sulla configurazione geometrica del manufatto.

Per quanto riguarda la geometria possiamo separare le valutazioni effettuate in due parti; la prima relativa alla materozza e la seconda specifica per il pezzo. Nel caso del layout utilizzato in colata è possibile individuare un paio di situazioni deficitarie in termini di qualità del manufatto finale. Iniziando dal canale adiacente alla camera si può vedere anche dalla figura sopra come esso abbia una sezione costante lungo la sua lunghezza e questo porta ad avere inglobamenti di aria già nella prima fase del riempimento (zona in grigio in figura). Sarebbe consigliabile sfruttare una geometria del canale con sezione decrescente, realizzando a questo scopo un tratto con una certa conicità invece che dritto.

Come secondo appunto sul disegno dell’alimentazione è possibile vedere come il tratto conico successivo non sia favorevole per un buon riempimento dello stampo. Infatti si realizza una situazione con sezione addirittura crescente e neppure costante come nel caso visto in precedenza. Questo porta ad avere le velocità più elevate nello strozzamento realizzato in questo tratto conico e non agli attacchi, come di norma. Questa situazione è sfavorevole al processo di riempimento della cavità.

Si può ben vedere dalla precedente immagine, che mostra l’andamento delle velocità, come esse siano in effetti decrescenti lungo il tratto conico, e portino quindi ad un inglobamento non voluto di aria, dovuto al moto non lineare delle velocità del materiale. A questo proposito sarebbe meglio riconsiderare tale tratto, progettandolo in maniera più adeguata.

Per quanto concerne la geometria del pezzo esistono diverse considerazioni da fare. Innanzitutto, per quanto riguarda gli spessori del pezzo bisogna sottolineare come non siano adeguatamente distribuiti nel manufatto. Infatti si hanno molte zone dove gli spessori sono più elevati nel tratto finale del riempimento, piuttosto che nelle zone di primo riempimento.

Come prima annotazione bisognerebbe realizzare un incremento di spessore generalizzato sulla parete adiacente all’alimentazione (parete circolare verticale), infatti gli spessori attuali non garantiscono al materiale uno spazio adeguato per ottenere un riempimento senza eccessive cadute di temperatura. Si consiglia pertanto di aumentare tale spessore.

Inoltre, sempre nel primo tratto del riempimento si possono trovare cambiamenti di direzione del flusso del materiale troppo repentini; infatti i raggi di raccordo che esistono sono troppo piccoli e si consiglia pertanto di realizzare raccordi a più ampio raggio per far fluire meglio il  materiale.

Dall’immagine precedente si può inoltre vedere come i fori e le “poppette” del manufatto abbiano una grande influenza sul riempimento del pezzo; si vede infatti come le parti indicate in rosso in figura portino ad un notevole decremento di velocità del materiale nella zona adiacente ad esse. Si può infatti vedere molto bene come si creino delle corsie preferenziali a velocità maggiori sulla parete verticale del pezzo. A questo proposito si ritiene che possa essere valutata l’ipotesi di realizzare dei canali a spessore maggiorato nelle zone dove si vengono a concentrare delle velocità minori, per cercare di ridurre questo effetto negativo; il quale comporta un ritardo di riempimento sulle pareti verticali successive  a queste zone.

In definitiva si può pensare di aumentare lo spessore complessivo della parete verticale fino a circa 3 mm realizzando al tempo stesso delle corsie a sezione rettangolare con spessore maggiorato fino ad un incremento ulteriore pari ad 1 mm.

Per concludere, sulle pareti orizzontali (le 4 pareti laterali), ci sono troppe differenze di spessore, che realizzano un incremento dello stesso nel tratto finale del riempimento. Si consiglia di uniformare tali spessori il più possibile.

Inoltre come si può vedere dalle precedenti immagini esistono delle zone leggermente preferenziali per il flusso del materiale. Queste creano delle sacche di aria che vengono a chiudersi all’interno del pezzo. Queste possono essere individuate nell’intera parete laterale superiore, gli angoli opposti a tale parete e per finire la zona centrale delle due pareti laterali verticali.

Grazie a queste considerazioni, prima di testare le modifiche consigliate sullo stampo, è stata creata una geometria modificata sulla quale sono state realizzate diverse simulazioni.

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Indicazioni della simulazione sulla geometria modificata, senza “fagioli”

La geometria modificata è stata realizzata con le seguenti variazioni (in questa fase non si è tenuto conto dei ““fagioli”” sullo stampo):

• Aumento dello spessore di parete per la superficie circolare di testa e conseguente aumento dello spessore all’attacco di colata.
• Aumento dello spessore di parete per il primo tratto delle pareti laterali.
• Accentuazione dei raggi di raccordo tra le parti del pezzo.
• Modifica dimensionale sulla sezione del primo tratto di colata, con la realizzazione di una sezione decrescente.
• Incremento della sezione circolare in testa al tratto conico della colata.
• Realizzazione di tre bande a spessore maggiorato sulla superficie circolare di testa; nello specifico, verso i due spigoli del pezzo vicini alla camera di colata e in direzione centrale sulla superficie laterale opposta alla camera.

Queste modifiche geometriche hanno portato ad avere i risultati evidenziati nelle immagini seguenti.

In simulazione si sono utilizzati gli stessi parametri visti in precedenza, ad eccezione delle velocità di riempimento imposte sul pistone; infatti avendo aumentato le sezioni di passaggio del materiale è stato ritenuto opportuno utilizzare una velocità media in prima fase pari a 0,3 m/sec ed una velocità di seconda fase pari a 4 m/sec.

Come si può vedere dall’immagine le modifiche effettuate sul tratto iniziale della colata hanno portato ad un beneficio; infatti si vede come durante la prima fase di riempimento non venga intrappolata aria nel canale iniziale, come invece avveniva in precedenza.

Un secondo effetto positivo ottenuto con la nuova geometria è quello che viene mostrato nell'immagine che segue. Si può vedere come le temperature generali del materiale siano leggermente superiori, se confrontate con le immagini illustranti la geometria originale nelle stesse condizioni. Questo effetto è, sostanzialmente, il principale risultato che era stato cercato. Questo mette così in evidenza come le modifiche effettuate siano da considerarsi positive, anche se non risolutive.

Va sottolineato che nonostante il primo obbiettivo sia stato raggiunto esistano situazioni ancora non accettabili durante il riempimento, infatti come mostrato dalle figure restano i problemi legati al non corretto bilanciamento del fronte di flusso durante la fase finale del riempimento.

Inoltre, come sottolineato nella successiva figura, risultano evidenti delle zone adiacenti, sulla stessa superficie, con scarti di velocità troppo evidenti. Questo porta ad accentuare lo sbilanciamento durante il riempimento oltre che a creare turbolenze nel materiale con conseguenti inglobamenti di gas.

Facendo riferimento alla figura si vedono le zone con materiale ristagnante (basse velocità) indicate dalle frecce colorate. Dove il colore delle frecce è rosso il problema è da riferirsi alla presenza delle spine realizzanti i fori sul pezzo, mentre nel caso delle frecce gialle il problema è relativo alla presenza delle due aperture sulla figura. L’eliminazione delle spine presenti sarebbe una soluzione con ottimi benefici sulla qualità finale del pezzo. Nel caso delle due aperture indicate dalle frecce gialle, invece, si può pensare di realizzare dei ponti per far fluire il materiale, riducendo così la sezione dell’apertura in figura, oppure se possibile chiudere completamente tali aperture.

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Indicazioni della simulazione su geometria con ulteriore modifica

In relazione alle considerazioni fatte in precedenza si sono apportate ulteriori modifiche geometriche per cercare di migliorare ancor di più la situazione:

• Incremento delle bande a spessore maggiore maggiorato verso gli spigoli.
• Realizzazione di ulteriori due bande a spessore maggiore sulla superficie circolare in direzione degli altri due spigoli del pezzo ( con larghezza inferiore).
• Eliminazione delle spine presenti sulla superficie di testa.
• Realizzazione di due ponti di materiale nelle due parti cave del pezzo, messe in evidenza nei precedenti risultati.

I risultati ottenuti sono mostrati di seguito.

Dalle immagini si vede come l’eliminazione delle spine abbia portato ad un notevole miglioramento sulla distribuzione delle velocità nella superficie di testa. Questo è sicuramente un aspetto migliorativo in relazione al problema messo in evidenza sul manufatto con la geometria originale.

La situazione è migliorata anche dal punto di vista delle temperature, anche se resta comunque un certo sbilanciamento nel tratto finale del riempimento, mostrato nelle immagini seguenti.

Nella figura che segue si può vedere la superficie laterale opposta alla camera, la quale presenta un intrappolamento di aria dovuto al fronte di flusso che si chiude su sé stesso incontrando lo spessore maggiorato nel tratto finale del pezzo. Per ovviare a questo inconveniente si è pensato di sfruttare i “fagioli” in modo tale da convogliare il materiale nelle due zone laterali all’interno di due “fagioli” appositamente posizionati, cercando così di dar tempo alla parte centrale di riempirsi.

La stessa considerazione relativamente alle superfici laterali verticali ha portato a sfruttare i “fagioli” per rallentare il flusso mostrato nell'immagine seguente, che arriva prima su un lato della superficie, così da consentire un corretto riempimento anche dell’altro lato, dove verrà comunque realizzato un fagiolo come raccoglitore di sporcizie dato che l’aria resta in tale zona.

Per quanto riguarda l’ultima superficie laterale, come da indicazione nella figura finale sono stati realizzati due “fagioli” per raccogliere l’aria che si convoglia in tale superficie, soprattutto ai lati della stessa.

Nell'immagine sotto è possibile vedere il comportamento dell’aria all’interno dello stampo in un certo istante di tempo. Da qui si possono comprendere meglio le posizioni dove sono stati posizionati i “pozzetti”.

Con queste considerazioni è stato realizzato un layout geometrico con i “fagioli” come da figura.

E’ stata poi eseguita una ulteriore simulazione per verificare il funzionamento dei “fagioli”, con buoni risultati.

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