Integración del análisis CFD al diseño de procesos de fundición

En el mercado actual, las empresas enfrentan presiones cada vez mayores tanto de economías establecidas como de las de rápido crecimiento. El mercado global obliga a las empresas a buscar nuevas formas de aumentar su diferenciación y ventaja competitiva. La red y el veloz intercambio de información son factores que aceleran esta necesidad. Una de las maneras en que las organizaciones pueden mantenerse como líderes es llegar más rápido al mercado con innovaciones de producto.  Con el objetivo de reducir el ciclo de desarrollo de procesos de fundicion, el modelado con FLOW-3D se ha convertido en parte integral del departamento de ingeniería de Industrias Shiloh.

CFD en Fundicion con FLOW 3D


En Industrias Shiloh, los nuevos proyectos de diseño para fundición se inician con el desarrollo conceptual del sistema de compuertas y alimentadores (gates y runners) , haciendo cálculos iniciales aproximados del vaciado, del diámetro del cilindro, la ventilación mínima y los requerimientos de presión del proceso. Se realizan análisis para desarrollar el mejor patrón de flujo posible y minimizar las trampas de aire. Después de finalizar el diseño de la alimentación, se corren análisis térmicos para tomar la mejor decisión para definir la posición de las líneas de enfriamiento.


Una característica atractiva de FLOW-3D, es la habilidad de correr análisis separados para cada etapa del proceso de desarrollo. Esto reduce el tiempo necesario para seleccionar el perfil correcto, el diseño de la compuerta y la posición de las líneas de enfriamiento. Un análisis completo de flujo y térmico se corre una sola vez para verificar que todos los componentes trabajan en conjunto sin interferencias. La introducción del modelo de un objeto de movimiento general (GMO) permite definir mejor la velocidad del impulso del pistón en la etapa de vaciado lento. En el proyecto descrito, el diseño de la parte ha cambiado drásticamente en comparación con la versión de producción actual. 


La geometría de la pieza se muestra en la Figura 1. Su forma impone retos de llenado y solidificación en la fundición para asegurar la calidad requerida. Por ejemplo, se pueden generar altos esfuerzos internos en la sección de la costilla superior durante la solidificación y enfriamiento, dando como resultado fuerzas de deformación no deseadas.

CFD en Fundicion con FLOW 3D



Figura 1: La pieza vaciada

En las etapas iniciales del proceso de diseño se hicieron 21 configuraciones de alimentación, mismas que fueron evaluadas con FLOW-3D. La figura 2 muestra algunos de los diseños de alimentación considerados.

CFD en Fundicion con FLOW 3D


Figura 2: Tres de los 21 sistemas de alimentación sugeridos modelados en FLOW-3D


El criterio inicial de evaluación de los sistemas de alimentación fue el patrón de flujo. Después de la primera etapa del proceso de diseño, dos diseños de alimentadores diferentes en concepto, mostrados en la figura 3, fueron aceptados para una evaluación posterior.

CFD en Fundicion con FLOW 3D


Figura 3: Sistemas de alimentación seleccionados para evaluación posterior basados en el patrón del flujo


Se corrieron análisis de solidificación durante la segunda etapa de evaluación. La distribución de temperaturas en el vaciado así como en el dado fueron analizados. La figura 4 muestra la distribución de temperaturas en la parte al final de la solidificación, usando el sistema de alimentación final.

CFD en Fundicion con FLOW 3D


Figura 4: Diferentes vistas del sistema de alimentación final seleccionado en base a la distribución de temperatura de la parte al final de la solidificación


Conclusión
Por más de siete años, hemos sido capaces de probarle a nuestro grupo la exactitud y confiabilidad de los resultados evaluados usando FLOW-3D como herramienta de modelación del proceso de fundición en dados. Estos resultados han tenido buena correlación con los defectos encontrados reales, la distribución de temperatura y los patrones de flujo.

 

Estamos usando FLOW-3D no sólo como una herramienta de simulación del proceso de vaciado en dados, sino también como una herramienta de modelación CFD genérica. Si durante el proceso de desarrollo, se recomiendan cambios de diseño a un cliente, FLOW-3D nos permite evaluar de manera rápida y confiable éstos cambios y presentar al cliente no sólo los cambios propuestos, sino los efectos que éstos cambios van a tener en el desempeño de la parte.

 

FLOW-3D es una solución de software que lo incluye todas las etapas del proceso CFD,  no se necesitan módulos especiales para mallado (meshing) o post-proceso.

 

Por Alex Reikher PhD de Shiloh Industries para Flow Science





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