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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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Caratteristiche meccaniche: uno studio nel settore costruzioni

Il prodotto che studieremo nel post di oggi è una cerniera per porte. Questo componente meccanico era progettato per essere sottoposto a sforzi di bassa-media intensità. A differenza di altri prodotti nel settore delle costruzioni, in questo progetto le caratteristiche estetiche non erano molto rilevanti, mentre le caratteristiche meccaniche e la resistenza all’usura erano fondamentali.

Obiettivo e fasi della simulazione

L’obiettivo della simulazione era di minimizzare i difetti che possono influenzare le caratteristiche meccaniche della cerniera della porta: la porosità e i fori. I requisiti per questo componente erano:

• assenza di cavità interne e bolle, causate da intrappolamenti di aria;
• riempimento corretto;
• nessun dettaglio mancante;
• bassa porosità da ritiro sia internamente che in prossimità del canale di alimentazione;

Grazie all’esperienza precedente nella produzione di pezzi simili, i nostri tecnici sapevano che la porosità è uno degli aspetti più critici per le cerniere delle porte: la presenza di buchi e cavità, causate dal ritiro del componente in prossimità del canale di alimentazione, potrebbe ridurre la resistenza e persino causare la rottura del componente sotto sforzo. Inoltre, un raffreddamento scorretto delle parti potrebbe causare picchi di calore sulla superficie dello stampo, portando alla formazione di cavità sulla superficie del componente.

L’analisi di simulazione si è concentrata quindi sulla fase di solidificazione, con l’obiettivo di trovare una configurazione che permetta un raffreddamento omogeneo delle parti, evitando così la formazione di aree più calde e prevenendo la porosità.

Risultati

Lo studio delle fasi di riempimento si è concentrato sull’analisi della distribuzione degli intrappolamenti di aria. Come si può vedere dall’immagine seguente, la quantità di aria è minima ed è equamente distribuita in piccole dosi attraverso l’intero componente.

La porosità è stata analizzata osservando il comportamento del pezzo durante la fase di solidificazione: il punto più critico è il canale di alimentazione, dove la lega solidifica e si contrae durante la fase di raffreddamento.

A differenza di altre parti simili prodotte in precedenza, per questa simulazione si è deciso di orientare il condotto di alimentazione parallelamente agli assi dei fori, e non perpendicolarmente. Inoltre, la sua configurazione geometrica è ottimizzata per evitare la creazione di punti caldi sulla superficie delle parti.

Come si può vedere dall’immagine, nella nuova configurazione la superficie vicina al canale di alimentazione solidifica molto più rapidamente, diminuendo di conseguenza il rischio di porosità da ritiro.

L’area di congiunzione solidifica rapidamente (colorata in azzurro), contemporaneamente al resto della superficie del prodotto, riducendo il rischio di porosità superficiale. L’area più critica è quella subito sotto alla giunzione – cerchiata in rosso – dove il raffreddamento è molto più lento a causa della vicinanza del canale di alimentazione.

Ma come si può vedere dall’immagine indicata come “50% liquido” la criticità dovrebbe essere ormai risolta: l’area cerchiata è solida (colorata in azzurro) mentre il centro del componente è ancora liquido (in giallo).

L’immagine qui sopra raffigura la simulazione dello stampo: il volume vicino all’attacco di colata porta ad una solidificazione davvero lenta e alla formazione di porosità da ritiro come conseguenza diretta. Invece, il ri-posizionamento della giunzione ha ridotto il problema della porosità grazie ad un raffreddamento più rapido del metallo fuso.

Il risultato della simulazione è stato confermato dopo l’utilizzo dello stampo: il problema della porosità da ritiro, tipica di questo tipo di prodotti, è stato completamente eliminato.

Riassumendo, l’esperienza ottenuta trattando con casi simili ha permesso a Bruschi di identificare le criticità già dalla fase di design dello stampo e di studiare una soluzione attraverso l’uso della simulazione. L’obiettivo era di migliorare la resistenza del componente riducendo la porosità da ritiro: questo rende il componente più resistente all’usura e evita le rotture sotto sforzo. Lo studio di simulazione della fase di solidificazione ha confermato che posizionare il condotto di alimentazione parallelo agli assi dei fori aumenta la velocità di raffreddamento, riducendo così il rischio di porosità.

Ancora una volta, la buona riuscita di questo studio dimostra l’importanza della simulazione nella pressofusione: l’uso di nuove tecnologie può aiutare ad ottenere differenze competitive sul mercato anche in un settore millenario come quello della lavorazione dei metalli.

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Identificare la dimensione dei fori, la loro forma e superficie è cruciale per indicare quale difetto è presente e definirne le cause.

In ogni caso è importante distinguere la porosità da riduzione termica da quella ad intrappolamento d’aria: i buchi causati dalla presenza di aria hanno forme sferiche, mentre l’assenza di materia della porosità da restringimento presenta delle superfici angolari.

Ora analizzeremo in dettaglio i difetti da porosità da contrazione termica.

Cosa causa la porosità  da contrazione termica?

La porosità da contrazione compare durante la fase di solidificazione del materiale, che comincia con la fase di riempimento dello stampo e termina quando ogni parte del materiale è completamente solidificata. La causa della formazione è la contrazione del materiale e, per questa ragione, la porosità è tanto intensa quanto elevato è l’indice di contrazione.

Il metallo iniettato negli stampi comincia la sua fase di raffreddamento quando entra in contatto con le pareti dello stampo. Lo scambio termico causa la solidificazione del metallo dalla superficie esterna al nucleo. Durante questa fase, il volume del metallo diminuisce causando un gradiente convettivo verso la superficie esterna. Per questa ragione le porosità si concentrano vicino le parti interne e massicce del componente.

Nella pressofusione dello zinco, in particolare per le leghe di zinco per fonderia, l’indice di contrazione del metallo è molto importante.

Altre caratteristiche della HPDC dello zinco che possono aumentare la porosità da contrazione sono l’alta conduttività termica dello zinco, aree di entrata per gli estrattori troppo piccole e un raffreddamento dello stampo ineguale.

Quando il design dello stampo e i parametri operativi non sono appropriati, le leghe di zinco potrebbero solidificare velocemente, il gradiente termico potrebbe essere molto elevato, si potrebbero formare aree calde e i canali sarebbero le prime parti del pressofuso a solidificare:  in particolare quest’ultimo aspetto porta a diminuire l’effetto compressivo dei colpi. Tutto questo causa la porosità da contrazione termica.

Una volta analizzati questi punti, è importante lavorare su una componente geometrica che è fondamentale perché alcune geometrie possono presentare maggiori criticità di alter: ad esempio, un grande spessore delle pareti e una sezione trasversale troppo massiccia.

La porosità da contrazione in un prodotto nuovo o già esistente

Per un nuovo prodotto, al fine di evitare difetti è necessaria un’analisi in simulazione durante la fase di design. Se il componente esiste già, è necessario testare lo stampo ed analizzare i pressofusi colpiti dalla porosità di contrazione, in particolare le loro dimensioni e la posizione del difetto.

Come evitare i difetti con la simulazione di un nuovo prodotto

La porosità da contrazione può essere eliminata assicurando il flusso del metallo liquido ad alte pressioni durante la fase di raffreddamento. I tecnici dovrebbero utilizzare un software di simulazione per ottenere un analisi per la fase di raffreddamento del pressofuso.

Riguardo la porosità da contrazione è possibile identificare le forme e le posizioni della porosità e predire le sacche di aria attraverso una simulazione di fusione, tracciando i flussi.

Nel processo di pressofusione, grazie agli strumenti di simulazione, è possibile ottimizzare:

• La geometria dei pressofusi e degli stampi
• I parametri di fusione
• I sistemi di ingresso e raffreddamento
• La conformazione della matrice

I risultati dei dati sono necessari per indagare il problema e per diagnosticare il processo e prevenire i difetti.

Come risolvere la porosità da contrazione in un prodotto esistente?

A volte può succedere che un fornitore possa sostituire un altro fornitore per un pezzo particolare. Generalmente questo avviene per problemi di non-conformità dati da diverse ragioni: una di queste è la porosità da contrazione. In questo caso il nuovo fornitore dovrà lavorare direttamente sui prodotti, cercando di ottenere la soluzione migliore.

Ad esempio se le cavità hanno larghe dimensioni e sono sempre nella stessa posizione, vicino ai fori di immissione, potrebbe essere necessario intervenire su diversi fattori ed in particolare sugli estrattori e la geometria dei fori di entrata. Al contrario se le porosità hanno diverse frequenze e posizioni nel pressofuso, gli esperti dovranno lavorare sui macchinari e sui parametri operativi.

Per evitare la porosità da contrazione nei pezzi già esistenti, si può quindi lavorare in due modi:

• Modificare i parametri dei macchinari della pressofusione;
• Modificare lo stampo;

Qui sotto ci concentreremo su quali cambiamenti sono possibili.

Modificare i parametri dei macchinari per pressofusione

Prima di intervenire sui parametri delle macchine è importante controllarne la funzionalità. Infatti molto spesso i problemi di porosità possono essere causati da una manutenzione scorretta o assente.

Una volta che i fornitori hanno verificato la corretta funzionalità delle macchine, possono modificare i seguenti elementi:

• La pressione di lavoro: aumentare la pressione di lavoro ha sempre effetti positivi sulla porosità da riduzione, ma è importante non superare la forza bloccante della macchina. Per aumentare la pressione lavorativa è possibile diminuire il diametro dei colpi o aumentare la pressione idraulica;
• La temperatura di lavoro: modificando la temperatura e il tipo di fluido di raffreddamento è possibile raffreddare i punti caldi posizionati nelle zone di porosità;

Riassumendo, la pressione di lavoro e la temperatura sono i fattori macchina che contribuiscono a diminuire la porosità.

Modificare lo stampo

Cambiare la morfologia dello stampo significa evitare problemi quali la porosità da contrazione. Gli esperti possono lavorare su:

• Il canale di alimentazione: se le porosità sono vicine al foro di iniezione, il sistema più semplice ed efficace è quello di modificare l’estrattore in modo tale da rallentare la solidificazione nel canale di alimentazione e aumentare l’effetto comprimente dei colpi;
• Sistema di raffreddamento: come per le macchine, lo scopo è quello di raggiungere le zone di porosità al fine di raffreddate i punti caldi dello stampo;

Molti benefici derivano dall’uso di questi software di simulazione: ad esempio meno prodotti vengono scartati, il tempo di consegna è abbreviato e la qualità è migliorata. Queste previsioni portano ad una consistente riduzione dei costi, un miglioramento del materiale e una riduzione del consumo energetico e dalla quantità di scarti.

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