Introduzione

In un precedente post avevamo trattato dell’importanza del laboratorio di metrologia all’interno di uno stabilimento produttivo di pressofusione di leghe di zinco. Il laboratorio di metrologia assicura infatti la qualità dei prodotti lungo tutta la filiera produttiva garantendo il rispetto delle specifiche dei clienti dal punto di vista dimensionale, strutturale e chimico. Le attività del laboratorio metrologico descritte nel post Dimensional measurement: production control and reverse engineering sono:

• monitoraggio costante di ogni ciclo produttivo
• controlli veloci sui nuovi progetti e campioni
• controlli sui progetti che sono stati sottoposti a modifiche nel corso del tempo
• controllo dei prodotti provenienti dai fornitori esterni
• reverse engineering sia sul prodotto che sullo stampo

Per approfondire questi temi consigliamo di leggere il post.  

In questo post analizzeremo invece le varie strumentazioni dedicando una particolare attenzione a come, in base alle caratteristiche del prodotto e alle sue specifiche, sia necessario di volta in volta scegliere le più adeguate.

Importanza del laboratorio di metrologia

La presenza del laboratorio di metrologia nello stabilimento produttivo non basta a garantire la qualità dei prodotti: questo risultato infatti può essere garantito solo attraverso l’utilizzo degli strumenti adeguati al componente che deve essere testato. La minimizzazione dei rischi necessaria a rispettare le richieste del cliente può allora essere garantita solo attraverso la presenza di una strumentazione aggiornata, avanzata e comprensiva di differenti tecnologie.

Ciò è particolarmente vero in uno stabilimento che utilizza la tecnologia della pressofusione di zinco per prodotti destinati a diversi settori: alla varietà dei prodotti corrisponde infatti una diversificazione degli strumenti e delle tecnologie necessari al laboratorio di metrologia per effettuare le sue analisi.

Essere specializzati in diversi settori di mercato permette di trasferire le competenze acquisite in un settore ad un altro, questo è vero anche per quanto riguarda i test del laboratorio di metrologia. La scelta dello strumento, infatti, non è determinata solamente dalle orologi replica richieste del cliente o dalla documentazione necessaria nelle varie fasi di vita di un progetto, ma è definita anche dalla necessità di ottenere i dati più indicativi ed efficaci per la valutazione della conformità di un componente agli standard progettuali e produttivi. L’expertise acquisita nelle misurazioni dei componenti destinati ad un settore può quindi essere trasferita alle analisi necessarie in un altro con vantaggi che si ripercuotono lungo l’intera filiera produttiva.

Gli strumenti del laboratorio di metrologia

Dopo aver delineato l’importanza del laboratorio di metrologia andiamo ora ad esaminare gli strumenti che consentono di effettuare verifiche metrologiche complete e a 360°.

Tomografia industriale computerizzata

La tecnologia della tomografia industriale computerizzata, riferita al campo della pressofusione di leghe di zinco, ha una doppia utilità. Consente infatti di effettuare analisi difettologiche sulla struttura interna dei componenti volte ad individuare i difetti nella distribuzione interna della materia e quindi a riconoscere porosità ed inclusioni di aria. Inoltre, grazie all’analisi tomografica, è possibile valutare il buon esito dell’assemblaggio dei componenti. Soprattutto nel caso dell’assemblaggio di materiali diversi, infatti, l’esame tomografico consente di effettuare uno studio funzionale degli accoppiamenti meccanici e di verificare l’assenza di deformazioni o altre problematiche.

Scansione 3D

Lo scanner 3D è particolarmente indicato nel caso di componenti dalle forme complesse. Lo strumento infatti è meno accurato di una macchina Coordinate Measuring Machine (CMM), ma consente di acquisire, senza contatto, tutta la superficie visibile dell’oggetto misurato e rende possibile il confronto con il modello teorico. Quindi, laddove una verifica con una macchina CMM sarebbe troppo dispendiosa in termini di tempo per la necessità di una ricostruzione completa della sagoma dell’oggetto, lo scanner 3D consente invece di ottenere il risultato in modo rapido ed efficace.

Macchina CMM

La CMM è sicuramente, all’interno di un laboratorio di metrologia, la tecnologia più comune. La macchina consente di selezionare i punti desiderati e di effettuare verifiche molto accurate ed è quindi particolarmente indicata per misurare elementi di componenti dalle forme semplici ma per i quali le tolleranze dimensionali sono molto ristrette. La macchina CMM non garantisce però gli stessi risultati con materiali diversi. Nel caso delle leghe di zinco risulta comunque particolarmente indicata perché il materiale metallico, a differenza di altri materiali come ad esempio le plastiche, non corre il rischio di deformarsi in sede di misurazione.

Polyworks

Polyworks è il software di Innovmetric che permette alla strumentazione di un laboratorio di metrologia di essere non solo completa ma anche complementare. Quanto detto in precedenza a proposito di macchina CMM e scanner 3D non deve infatti far pensare che, in fase di test, sia da scegliere un metodo di misurazione piuttosto che l’altro. Grazie al software, infatti, è possibile far dialogare e interagire tra loro i dati provenienti dalla strumentazione ed è possibile quindi sovrapporre le misurazioni dello scanner 3D con quelle della macchina CMM: è così il software che, permettendo ai differenti dati di parlare tra loro, permette al laboratorio di metrologia di unificare le proprie tecnologie in vista di un risultato finale veramente completo e dettagliato.

Macchina UTM

La Universal Testing Machine, è uno strumento impiegato per testare la resistenza alla trazione e alla compressione. Si tratta di una macchina molto versatile con la quale è possibile effettuare diversi tipi di test su un’ampia gamma di materiali e di componenti. Per esempio, per quanto riguarda i test condotti su pressofusi in lega di zinco, la UTM è fondamentale per lavorare nel settore automotive. La verifica della resistenza dei prodotti destinati a questo settore infatti è parte fondamentale della documentazione necessaria per l’approvazione e il buon esito dei progetti.

Macchina in linea per il controllo dimensionale del 100% della produzione

Questa macchina, sviluppata e progettata in-house, è destinata alla verifica del rispetto delle tolleranze dimensionali di prodotti destinati al settore automotive. Lo strumento si avvale di una telecamera per il rilievo di dimensioni, volume e qualità superficiale dei componenti e di un profilometro. Il profilometro, grazie alla tecnologia laser, consente di ricostruire il profilo del componente misurato e risulta particolarmente utile nella ricostruzione del profilo di sagome complesse come ad esempio i filetti.

Altra strumentazione

Infine, altri strumenti comuni ma fondamentali in uno stabilimento produttivo di pressofusi in zama, sono lo spettrometro, la bilancia per la densità e il microscopio elettronico. Lo spettrometro consente di verificare la composizione chimica della zama e risulta di fondamentale importanza quando, su una stessa macchina, viene sostituito lo stampo e si passa dalla creazione di un componente costituito da una lega di zama ad un altro di differente lega. Grazie allo spettrometro è infatti possibile verificare che il cambio del bagno di zama sia concluso e che tutto il materiale impiegato nel processo sia quello nuovo. La bilancia per la densità serve invece per verificare la compattezza del componente e per escludere la presenza di inclusioni di aria o altri difetti similari. Infine, il microscopio rende possibile individuare difetti superficiali che non sarebbero individuabili ad occhio nudo, rivelandosi un valido ausilio nell’individuazione di linee di flusso, ritiri, onde e laghi.

Per un approfondimento sui più comuni difetti di pressofusione vi consigliamo di leggere l’articolo Die casting defects: Internal and Superficial.

Altri test

I vari tipi di test effettuati in un laboratorio metrologico sono quindi volti a misurare le dimensioni dei componenti, il loro peso, la distribuzione della materia al loro interno e la loro resistenza. Inoltre, possono essere effettuati altri tipi di test, come ad esempio quello a nebbia salina che è volto a valutare la resistenza del componente alla corrosione ambientale oppure il leak test che, attraverso l’ausilio di strumentazioni dedicate, ha l’obiettivo di verificare l’assenza di inclusioni d’aria nel componente.

Per scoprire di più sul test a nebbia salina consigliamo di leggere il post SST – Resistenza al Test dello Spray Salino dello zinco.

Conclusioni

Con questa breve panoramica delle strumentazioni del laboratorio di metrologia abbiamo voluto focalizzare l’attenzione sull’importanza di questo reparto.

Vi consigliamo, nel caso abbiate un interesse particolare su questo tema e voleste rimanere aggiornati sulle novità del settore, di visitare il sito Metrology News, un importante rivista online ricca di informazioni sugli strumenti metrologici e sul loro utilizzo in diversi ambiti industriali.

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Potete trovare una lista completa degli argomenti trattati nel nostro primo post sul tema, cliccando qui.

Qualità superficiale: un caso nel settore automobilistico

Protagoniste di questo studio sono le lamelle delle prese d’aria che controllano e dirigono il flusso dell’aria condizionata nell’abitacolo delle auto.

Queste lamelle sono solitamente fatte di plastica, ma l’oggetto del nostro studio è la placca centrale, usata dal guidatore per dirigere l’aria verso gli altri condotti e per questo fatta in lega metallica.

Questo prodotto offre delle sfide soprattutto per la qualità superficiale, a causa della sua posizione esposta in piena vista all’interno dell’abitacolo, delle possibili criticità riscontrate dopo i trattamenti superficiali e il fatto che debba essere installata su auto di lusso.

Obiettivo e fasi della simulazione

L’analisi di simulazione si concentrerà quindi sulla progettazione di un flusso ottimale dall’alimentatore per evitare difetti come i segni di flusso e le bolle nel prodotto.

Nella prima fase del procedimento abbiamo studiato gli effetti di diverse configurazioni dei canali di alimentazione, una dopo l’altra, per identificare quelle con le caratteristiche migliori. In seguito abbiamo migliorato la forma dei canali, soprattutto in prossimità dell’ingresso dello stampo.

Gli obiettivi da raggiungere durante le varie fasi della simulazione erano:

• Riempimento costante dello stampo seguendo la direzione principale del flusso
• Diminuzione della probabilità di cavitazione per aumentare la velocità del flusso
• Riduzione del tempo di riempimento e mantenimento dell’alta temperatura della lega durante l’intera fase
• Mancanza di bolle d’aria nel prodotto

Risultati

Nello studio della qualità superficiale di un prodotto, il parametro principale di cui tenere conto è la temperatura. La temperatura deve rimanere il più alta e consistente possibile durante tutta la durata del riempimento, fino alla fine del processo, soprattutto per le parti visibili.

L’immagine rappresenta i risultati dell’analisi alla fine del ciclo di riempimento: la temperatura è sufficientemente alta e omogenea, con caratteristiche migliori nella superficie superiore, che richiede un livello di qualità maggiore dal momento che sarà visibile nell’abitacolo dell’auto.

Dall’analisi del campo di velocità è possibile osservare la direzione dell’alimentazione e il modulo della velocità all’ingresso dello stampo: un punto particolarmente critico poiché è spesso soggetto a fenomeni di cavitazione, causando l’usura dello stampo.

Guardando l’immagine, possiamo notare la regolarità del riempimento e che gli ultimi volumi riempiti sono quelli vicini ai pozzetti, permettendo alla lega a bassa temperatura, cioè quella arrivata prima nello stampo, di uscire.

Il campo della velocità, che dipende non solo dalla geometria dei canali di alimentazione, ma anche da condizioni di contorno al livello dell’entrata dello stampo, è stato ottenuto utilizzando parametri comuni per la pressofusione di questo tipo di prodotto. Lo schema della velocità è sufficientemente basso, anche in prossimità dell’attacco di colata. Questo ha un effetto positivo sulla produzione perché permette di utilizzare parametri di riempimento più alti senza il rischio di usura prematura dello stampo.

L’immagine seguente mostra invece che l’impatto dei canali di alimentazione è ben bilanciato: i due canali di alimentazione, identificati dai colori rosso e blu, riempiono lo stampo in maniera costante. Il corretto funzionamento dei canali piccoli sulla sinistra viene confermato: la presenza del colore arancione, per quanto scarsa, è necessaria per evitare i segni di flusso.

L’influenza dei canali di alimentazione (colorata in arancione) dovrebbe essere limitata, ma non a zero: la sua presenza è necessaria per evitare segni di flusso nella zona d’entrata.

Ed infine, il campo che mostra gli intrappolamenti d’aria indica una situazione favorevole: l’aria contenuta nel pressofuso non è un problema, poiché è uniformemente distribuita nell’intero volume e concentrata solo nei diffusori, garantendo il raggiungimento della qualità superficiale richiesta.

Tutte queste analisi confermano che il progetto e il sistema di riempimento sono ottimizzati per ottenere la migliore qualità estetica, garantendo una superficie omogenea che può essere sottoposta al trattamento richiesto e contribuire all’aumento del valore percepito degli interni dell’auto.

Per concludere, lo studio di simulazione ci ha permesso di assicurare la miglior qualità superficiale per le bocchette dell’aria condizionata, attraverso l’analisi di quattro fattori principali: la direzione del flusso principale, la sua velocità, il tempo e la temperatura di riempimento e l’assenza di intrappolamenti d’aria. Grazie all’analisi di questi fattori, è stato possibile ottimizzare il processo di pressofusione ridisegnando le forme dei canali di alimentazione e quindi di soddisfare i livelli di qualità estetica richiesta.

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Questo post è l’ultimo di una serie in cui spieghiamo l’importanza della simulazione nella pressofusione in camera calda usando dei casi di studio reali.

Potete trovare una lista completa degli argomenti trattati nel primo post sull’argomento, cliccando qui.

Manutenzione dello stampo: un caso del settore automobilistico

Il prodotto che analizzeremo in questo post è un gruppo di alloggiamento del bloccasterzo per l’industria automobilistica.

La parte più critica è stata la cover superiore dell’alloggiamento, che doveva contenere una carta elettronica. Inizialmente, la parte non era difettata, ma dopo alcune stampate sono comparsi dei chiari segni di erosione dello stampo. L’erosione lasciava infatti dei segni distintivi sulla superficie del componente: queste chiazze scure e irregolari erano un segno dell’usura.

Il deterioramento dello stampo era causato dall’alta velocità del flusso durante le fasi di riempitura e dalla particolare geometria del componente. Le conseguenze di una scarsa conservazione dello stampo possono essere piuttosto gravi, dato che possono causare malfunzionamenti del componente a causa delle irregolarità superficiali, oltre ad aumentare la necessità di riparazioni. Per risolvere il problema, si è ricorso ad una simulazione del processo di riempimento.

Obiettivo e fasi della simulazione

L’obiettivo della simulazione era di trovare opportunità di rallentamento del flusso o di eliminare l’erosione dallo stampo pre-esistente: per ottenere il risultato atteso, il nostro dipartimento di engineering ha svolto un’analisi di sistemi di alimentazione alternativi.

Il primo passo è stato identificare la causa dell’erosione: l’erosione era causata dalla formazione e dall’implosione non-stazionaria di bolle di lega contro la superficie dello stampo. A causa delle alte velocità del flusso attraverso canali stretti in prossimità del canale di alimentazione, la pressione crollava al di sotto del livello di vaporizzazione della lega, causandone l’evaporazione immediata.

Conseguentemente, la lega entra nello stampo con una sezione trasversale più ampia dell’attacco di colata, causando un’espansione che riduce la velocità del flusso. La pressione aumenta rapidamente, causando l’implosione delle bolle di vapore e l’erosione della superficie interna dello stampo.

Risultati

Il campo della velocità di riempimento rappresenta la velocità del flusso al momento dell’ingresso nel volume di controllo.

Dal momento che la cavitazione è un processo non-stazionario che avviene nella prima fase del riempimento, che è anche la fase a più alta instabilità, lo studio della velocità di riempimento fornisce le maggiori probabilità di identificare le aree critiche.

Come si vede dall’immagine seguente, la nuova forma influenza positivamente l’espansione del flusso, limitando i gradienti di velocità entro la linea verde.

Parte interna dell’alloggio

L’area con la cavitazione maggiore è nel centro del campo, dove la linea verde demarca la separazione tra due aree di diversa velocità. Esattamente in quest’area, a causa del rallentamento del flusso e dell’aumento della pressione, le bolle di lega implodono e danneggiano lo stampo.

Con il nuovo diffusore la linea verde si è spostata, generando un allargamento nella diffusione del flusso. Questo ampiamento dovrebbe spostare l’area di cavitazione e ridurne il rischio grazie al minor gradiente di velocità nelle aree critiche dello stampo.

Parte esterna dell’alloggio

La linea verde si è spostata anche sul lato fisso dello stampo, aumentando la diffusione e diminuendo il gradiente di velocità trasversale.

Concludendo, l’uso della simulazione ha permesso di identificare le aree critiche in cui si formava la cavitazione e di progettare un flusso più ampio per spostarla, impedendo l’usura dello stampo e migliorando la conservazione dello stampo.

Passiamo ora al prossimo caso, che riguarda i piccoli elettrodomestici casalinghi e l’ottimizzazione dei parametri.

Ottimizzazione dei parametri: un caso nel settore casalinghi

L’oggetto di questo secondo studio è una maniglia cromata. Il prodotto è un componente per una macchinetta del caffè a cialde: in questo caso non c’era un problema da risolvere, ma era necessario individuare il metodo di riempimento più corretto per ottimizzare la produzione.

Per ottenere un alto livello di qualità estetica, lo stampo deve essere mantenuto a temperature molto elevate: le alte temperature infatti riducono il raffreddamento durante la fase di riempimento, riducendo i segni di flusso. Tuttavia, alte temperature implicano un tempo di raffreddamento più lungo: come conseguenza, il tempo ciclo si allunga a causa della solidificazione più lenta. Di conseguenza, è necessario stabilire l’intervallo di temperatura che permette di ottenere un alto livello qualitativo mantenendo il tempo ciclo il più basso possibile, per aumentare la produttività.

Una volta identificati, i parametri di regolazione della fusione possono essere impostati in modo tale da mantenere le temperature dello stampo nell’intervallo. Questi parametri sono la temperatura di ingresso e il tipo di fluido raffreddante.

Obiettivi e fasi della simulazione

L’obiettivo della simulazione è di stimare i cambiamenti nella qualità superficiale e del tempo ciclo al variare delle temperature dello stampo.

La temperatura dello stampo dipende da due fattori: la geometria del circuito di raffreddamento scelto in fase di progettazione e la temperatura e il tipo di fluido di raffreddamento che viene applicato nella fase di produzione.

Nella simulazione, è stata imposta una temperatura dello stampo omogenea in prossimità delle cavità. La qualità superficiale è stata determinata tramite il valore medio della temperatura della lega alla fine della fase di riempimento, mentre il ciclo produttivo è stato derivato dal tempo necessario al componente per solidificare e raffreddarsi fino a 340°C.

Le variazioni delle due quantità sono state calcolate tramite una serie di simulazioni a temperatura variabile.

Risultati

Il grafico seguente mostra chiaramente i risultati della serie di simulazioni. Tecnicamente, questa non è un’analisi di ottimizzazione poiché le due curve in crescita monotona non permettono di trovare un massimo o un minimo assoluto: può essere considerata come una ricerca di compromesso per definire l’intervallo di temperature ideali.

L’intervallo in cui la curva della qualità superficiale aumenta in modo significativo è tra i 180-228°C, mentre il tempo ciclo del prodotto si mantiene relativamente costante prima di aumentare esponenzialmente.

Per questo motivo abbiamo scelto di mantenere un margine di circa 10°C, all’estrema destra dell’intervallo (218°C < T < 228°C).

In questo caso, la simulazione del componente ha aiutato a determinare la temperatura ideale dello stampo per ottenere la qualità superficiale richiesta, definendo la scelta della temperatura in ingresso e la scelta del fluido di raffreddamento.

Attraverso questa serie di post abbiamo visto diverse applicazioni della simulazione per pressofusione: riduzione di scarti, ottimizzazione delle qualità estetistiche, miglioramento delle caratteristiche meccaniche, conservazione dello stampo migliorata e ottimizzazione dei parametri sono solo alcuni dei molti vantaggi offerti dall’uso di questa tecnologia.

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Nel post di oggi, dopo una breve introduzione, analizzeremo un caso del settore delle automazioni riguardante la formazione di bolle e di problemi di intrappolamenti di aria che sono stati risolti grazie all’uso di un software di simulazione.

Durante il processo di pressofusione delle leghe di zinco, l’elemento che più influisce sul risultato finale è il canale dell’alimentazione, che porta la lega nello stampo. Una corretta alimentazione dello stampo ha un’importanza cruciale per la qualità, la forza e la superficie del prodotto, e può anche allungare la vita dello stampo.

Una simulazione dell’alimentazione, del riempimento e della fase di solidificazione offre un vero vantaggio: aiuta infatti a prevedere i possibili difetti causati da flussi liquidi non uniformi, da gradienti di temperatura troppo elevati, aumenti della velocità locale e altri problemi. Con i software di simulazione è possibile ottimizzare l’intera produzione, con effetti positivi sulla durata della vita dello stampo e sul prodotto finale, in termini di estetica e efficienza. Queste simulazioni si svolgono utilizzando software specifici, come Magmasoft.

Magmasoft è un pacchetto software innovativo sviluppato appositamente per la simulazione per pressofusione. Permette di simulare il riempimento dello stampo e la solidificazione del pressofuso, calcolando il flusso delle leghe, la loro temperatura e la presenza di gas o porosità nel prodotto finito.

Grazie a queste simulazioni, è possibile identificare la configurazione migliore per gli alimentatori e per ottenere i migliori risultati per precisione e affidabilità, riducendo i rischi al minimo e risparmiando tempo e risorse.

In questa serie, analizzeremo dei casi in cui l’analisi tramite simulazione ha contribuito a migliorare la produzione corrente e ad evitare errori di progettazione che avrebbero influito il prodotto finto, creando sprechi di materiale, tempo e risorse.

Nel dettaglio, presenteremo 5 diversi casi in cui l’uso di un software di simulazione ha influenzato le decisioni nella scelta delle tecniche per la produzione dei pressofusi. Ecco una lista degli argomenti che andremo a trattare in ogni post:

1. Riduzione degli scarti
2. Qualità estetiche
3. Caratteristiche meccaniche
4. Manutenzione e ciclo vitale dello stampo
5. Ottimizzazione dei parametri

Ora presenteremo il primo caso, relativo alla riduzione degli scarti per un prodotto utilizzato nel settore delle automazioni industriali e della gestione energetica.

RIDUZIONE DEGLI SCARTI: UN CASO DAL SETTORE DELL’AUTOMAZIONE

Questo studio riguarda un supporto per un interruttore di emergenza. Data la sua funzione, il prodotto è visibile ma non necessità di alte qualità estetiche. Tuttavia, il prodotto veniva sottoposto a verniciatura: questo processo portava alla luce dei difetti superficiali.

Lo stampo di questo prodotto è stato utilizzato per diversi anni, generando sempre una percentuale di scarti del 5% causata dalla formazione di bolle durante la verniciatura. L’origine di questo fenomeno è la presenza di aria nella lega, che viene spinta verso l’esterno dalle alte temperature raggiunte durante il processo di verniciatura e rimane intrappolata tra la superficie del pressofuso e lo strato di vernice.

Obiettivi e fasi della simulazione

In questo studio di simulazione ci si è concentrati sull’evitare bolle nelle fasi di post-produzione. L’obiettivo della simulazione era di ridurre la quantità di scarti causati dagli intrappolamenti di aria. Abbiamo esaminato il comportamento del flusso durante le fasi di riempimento per accertare le cause di questo fenomeno. In seguito, abbiamo studiato metodi di alimentazione alternativi.

Risultati della analisi

L’analisi mostra aree di reflusso e incapsulamento dell’aria in prossimità dei bordi, dove erano state identificate le bolle. Questa turbolenza è causata dalla velocità del flusso e dalle caratteristiche geometriche del componente.

Nell’immagine seguente, potete vedere il risultato di un’analisi numerica della configurazione attuale dello stampo:

Una volta che la causa del problema è stata identificata, è stato possibile cercare una soluzione che potesse ridurre la velocità del flusso.

SOLUZIONE

La soluzione rappresentata nell’immagine prevede un sistema di alimentazione alternativo, dove il canale di colata è ruotato di 45° attorno all’asse del prodotto.

I risultati della modifica sono illustrati di seguito.

Paragone tra le due configurazioni:

Attraverso l’uso di una simulazione, l’area di reflusso è stata completamente eliminata e il flusso di riempimento risulta più uniforme.

Dopo la simulazione, lo stampo è stato modificato e i risultati hanno confermato la validità dello studio: la quantità di prodotti rifiutati a causa delle bolle è stata ridotta quasi del 95%.

Riassumendo, grazie all’uso della simulazione per pressofusione è stato possibile identificare chiaramente le aree problematiche in cui si formavano gli intrappolamenti di aria. La rotazione del condotto di alimentazione ha permesso di regolare la velocità del flusso senza modificare la forma del componente, prevenendo il reflusso nelle aree identificate precedentemente. Dopo le modifiche al sistema di alimentazione, la percentuale di scarti causata dalle bolle è stata ridotta significativamente.

Questo è solo uno dei tanti esempi in cui l’uso di una simulazione per pressofusione può aiutare a migliorare la produzione.

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In questo articolo vedremo i vantaggi comportati dall’uso di un software di simulazione HPDC (High Pressure Die Casting) nella produzione dei pressofusi.

Si tratta di un argomento molto discusso tra gli specialisti di settore: già nelle prime fasi del riempimento dello stampo, infatti, si possono verificare errori che possono compromettere la riuscita del pezzo, legati magari ad una troppo rapida solidificazione del metallo. Tutto questo può essere previsto ed evitato grazie alla simulazione CFD.

Le complessità del processo di fusione

Quando si considera il processo fusorio del metallo si parla di una simulazione termo-fluidodinamica bifase, poiché il processo di lavorazione del metallo si compone di fenomeni di tipo cinetico e dinamico, scambi termici e passaggio di fase da liquido a solido.  Inoltre, lo scambio termico è sia di tipo convettivo, dipendente cioè dai movimenti del flusso, che di tipo diffusivo, dato dalla differenza di temperatura del fluido e dello stampo.

Date queste problematiche la migliore soluzione è un software di simulazione.

Soprattutto nel caso della simulazione HPDC (pressofusione ad alta pressione) la complessità degli stampi e i parametri macchina aumentano il numero di variabili da considerare durante la simulazione. Inoltre, il processo produttivo è continuo e basato su cicli rapidi di riempimento ad alta pressione e raffreddamento. Queste caratteristiche, unite alle forme intricate e alla sottigliezza delle parti prodotte, aumentano notevolmente la complessità numerica della simulazione.

Con queste premesse risulta subito evidente come anche il processo di simulazione non possa essere semplice: le equazioni utilizzate nel processo sono risolvibili con un approccio analitico solo in casi molto semplici e limitati. Per questa ragione è necessario applicare un metodo di tipo numerico che implica un uso dispendioso delle risorse computazionali.  L’approccio numerico prevede una semplificazione delle equazioni e una gestione del dominio – ovvero lo spazio finito in cui si trova l’elemento di studio –  di tipo discreto.

Il dominio viene trasformato in quello che si definisce mesh, vale a dire una griglia di calcolo composta da celle di varie dimensioni. Per ognuna di queste celle vengono scritte le rispettive equazioni di equilibrio che comporranno il sistema globale e saranno risolte dal simulatore. Maggiore sarà il numero delle celle e minore la loro dimensione, maggiormente precisa sarà la simulazione.

Anche l’uso di determinati software gioca un ruolo fondamentale per ottenere i migliori risultati possibili: programmi come MagmaSoft, un software di simulazione CFD dedicato alla fonderia, utilizzano uno schema numerico di tipo LES (Large Eddy Simulation) che permette di calcolare senza approssimazione la turbolenza fino a vortici di medie e grandi dimensioni, permettendo così di ricostruire velocemente e con precisione il fenomeno studiato.

L’importanza degli studi preliminari per pressofusione

Chi studia il processo di pressocolata tramite strumenti di simulazione non può prescindere dal confronto con la realtà. Solo l’osservanza del processo reale permette di identificare le difettosità del fenomeno che possono quindi essere catalogate, diventando studiabili, riproducibili e quindi anche evitabili. Lo studio approfondito ed empirico del fenomeno reale è, inoltre, fondamentale per poter stabilire i valori delle condizioni al contorno. La loro individuazione, oltre che essere necessaria alla chiusura del sistema numerico, stabilisce l’aderenza del modello simulato con la realtà.

I difetti studiabili e prevenibili attraverso l’uso di una simulazione includono:

• Porosità;
• Giunzioni fredde (Temperature troppo basse durante il riempimento);
• Presenza di aria nel pressofuso;
• Inclusioni metalliche date dalla presenza di corpi estranei nel materiale fuso;
• Problemi di cavitazione o di erosione dello stampo;

Ognuna di queste possibili problematiche è legata a campi fisici del sistema individuabili in simulazione, quali velocità, pressione e temperatura: la porosità ad esempio è causata dalla distribuzione del materiale nello stampo ed è legata quindi alla velocità di immissione, alla pressione dell’aria nello stampo e alla distribuzione della temperatura durante la solidificazione. Attraverso l’uso di una simulazione HPDC è quindi possibile prevedere la formazione di sacche di vuoto che intaccherebbero la solidità e l’estetica del prodotto.

Un altro caso in cui la simulazione si rivela particolarmente efficace è nel prevedere i possibili danni causati allo stampo dalla cavitazione: si rischia infatti che lo stampo subisca un’erosione maggiore in presenza di variazioni di pressione. Per questo è necessario studiare approfonditamente la geometria del corpo, disegnando canali con forme e posizioni strategiche.

Simulazione HPDC: confronto con la realtà

Lo specialista dovrà quindi cercare le cause delle anomalie nei campi fisici del fluido, valutando caso per caso e affiancando ai dati matematici forniti dalla simulazione il valore aggiunto della sua esperienza pratica. Confrontare le aspettative date dalla simulazione con i risultati effettivi offre due vantaggi principali:

• da un lato, permette di aumentare la comprensione del fenomeno fisico che genera difettosità e di avvicinare chi lo studia a una risoluzione caso per caso, poiché difficilmente il percorso risolutivo sarà univoco;
• aumentare la capacità interpretativa dei risultati numerici per meglio capire quali campi o combinazioni di campi permettono di individuare i valori critici per lo sviluppo della difettosità;

Maggiore sarà l’esperienza accumulata dal tecnico specialista, migliori saranno quindi i risultati.

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