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Ottimizzazione Topologica dei canali di colata

La qualità richiesta sui getti ottenuti per pressofusione di leghe leggere (HPDC) sta raggiungendo livelli sempre più elevati. Affinchè il processo finale si mantenga profittevole per l’Azienda è necessario avere percentuali di scarto molto basse ed un’elevata ripetibilità. La simulazione di colata da anni supporta le fasi di progettazione stampo e processo evitando quanto più possibile il costosissimo approccio “a tentativi”. Come tutti i metodi numerici, anche le simulazioni di colata introducono delle approssimazioni alla fisica del sistema che in determinati casi possono tradursi in risultati non adeguatamente precisi. Quando si presentano queste discrepanze tra realtà e simulazione, sia in fase di progettazione sia di produzione, si ritorna a metodi empirici innalzando vertiginosamente i tempi e i costi di produzione.


ARGO srl supporta la progettazione di canali e attacchi di colata, ottimizzati e su misura per ogni condizione, utilizzando le tecniche di Ottimizzazione Topologica CFD.


# Perchè concentrarsi sui canali di colata?

I canali di colata trasportano il materiale verso le figure, il loro ruolo è fornire la giusta portata di lega nelle migliori condizioni possibili. È un dato di fatto che la forma dei canali imprime al flusso di metallo fuso diverse sollecitazioni di natura puramente fluidodinamica che, se non controllate, portano a diversi problemi:

  • Eccessive perdite di carico: necessità di aumentare la pressione di iniezione per compensare le perdite lungo i canali di alimentazione generando maggiore usura dello stampo e maggiori "bave".
  • Flusso turbolento: canali non ottimizzati comportano una maggiore turbolenza nello scorrimento del metallo fuso, ostacolando il riempimento e rendendolo meno controllabile.
  • Riempimenti non omogenei: nel caso di uno stampo multi-impronta non è semplice ottenere una portata ragionevolmente omogenea; canali non ottimizzati in stampi multi-impronta conducono a produzioni fuori qualità o addirittura ad un alto numero di scarti. Comunemente per compensare il riempimento difficile di una singola impronta si interviene sui parametri di processo. Questo metodo ricalca purtroppo il concetto della “coperta troppo corta”, migliorando il riempimento dell’impronta più critica si ottiene spesso il conseguentemente peggioramento delle altre, il lotto prodotto sarà così composto da pezzi con difettosità mediamente alta e soprattutto estremamente variabile. 

# Cosa c'è di diverso dai normali software di simulazione colata?

Quando si simula la pressocolata (o la colata in genere) si utilizzano normalmente software basati sul metodo degli elementi finiti (FEM) in quanto sono ideali per risolvere le equazioni di conduzione del calore, sforzo-deformazione, ... Tuttavia la fluidodinamica computazionale (CFD) che si occupa di simulare i flussi della lega, mal si adatta al metodo FEM e le sue equazioni vengono corrette e semplificate all'interno del software. Queste semplificazioni trascurano molte delle turbolenze e dei vortici generati durante le fasi di riempimento e comportano errori specialmente nelle sezioni più spesse o nei bruschi campi di spessore del getto. Errori nella simulazione si traducono in problemi riscontrati  inaspettatamente in produzione. ARGO agisce quindi a supporto dei software classici simulando con metodi dedicati alla fluidodinamica il comportamento del fuso scoprendo i possibili difetti della configurazione stampo ancora prima di realizzarlo.


Per questo motivo è opportuno affiancare alle normali simulazioni di colata metodi più specifici in termini di fluidodinamica (CFD) che possano meglio calcolare i flussi e le turbolenze all’interno dei canali di alimentazione.


# Cos’è l’ottimizzazione topologica (OT)?

È un metodo matematico che ottimizza la forma di un componente all’interno di uno spazio di design. A seconda della funzione obiettivo e delle condizioni impostate l’algoritmo massimizza le performance richieste dal componente. A differenza di altre tecniche, come l’ottimizzazione parametrica, l'OT permette di calcolare qualsiasi tipo di forma all’interno del suo spazio di design invece di operare solo su alcuni determinati parametri.

ARGO applica questo metodo per ottenere la miglior configurazione possibile per un canale di colata in base alle esigenze di produzione. Le geometrie ottimizzate sono direttamente implementabili in fase di progettazione e allo stesso tempo permettono una più rapida soluzione delle criticità negli stampi già esistenti.


ESEMPIO

In questo breve esempio vengono illustrate le potenzialità dell’ottimizzazione topologica così come applicata da ARGO srl. La geometria riguarda l’immediato passaggio dal cilindro della pressa ai canali di alimentazione. Generalmente questa parte comporta notevoli perdite di carico in quanto si ha un cambio importante sia di sezione sia di direzione del flusso. Nelle immagini seguenti sono illustrati i risultati delle analisi CFD della condizione iniziale, nel dettaglio vengono mostrate le linee di flusso e le perdite di carico.

Analisi del flusso lungo il canale, le zone a maggiore vorticità sono indicate dalle frecce

Perdite di carico nella configurazione originale

Si passa quindi all'ottimizzazione definendo un volume di design massimo e mantenendo ingresso e uscita costanti alla configurazione originale, questo per ovvi vincoli di compatibilità con il layout dello stampo. Il software di Ottimizzazione Topologica procede quindi a individuare la forma del condotto che minimizza le perdite di carico e le turbolenze all'interno del volume di design. I risultati grezzi sono visibili nelle figure sottostanti. Si può notare oltre ad un flusso più lineare anche delle perdite di carico ridotte.

Volume di design cubico e analisi dei flussi nel canale ottimizzato (superfice reticolare).
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Canale ottimizzato: perdite di carico ridotte.


Con l'approccio di ARGO è possibile ridurre le perdite di carico del 25% semplicemente cambiando la forma dell'attacco ai canali di colata. Questo significa che è possibile portare più pressione ed energia in figura, favorendone il riempimento. Bisogna ricorda che questo è solo un esempio localizzato in un singolo punto dei canali.

ARGO ottimizza l'intero sistema di canali, dal cilindro all'attacco in figura, con una veloce analisi CFD riducendo drasticamente il numero degli scarti di produzione o dei difetti sul pezzo. Contattaci per saperne di più!

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