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Blog R&D

Storie di innovazione e facili tutorial per conoscere il mondo dell'opensource

Le criccature da fatica termomeccanica sono uno dei principali meccanismi di usura e danneggiamento degli stampi da pressocolata (HPDC) di leghe leggere (alluminio). La temperatura alla superficie dello stampo varia ciclicamente tra una condizione "calda" ed una "fredda". La fase calda coincide con il contatto con la lega fusa (680 °C circa) durante l'iniezione per passare poi, dopo solidificazione ed estrazione del pezzo, alla fase fredda in cui avviene la spruzzatura di lubrodistaccante (acqua ed aria compressa a temperatura ambiente). Lo stampo oscillando tra queste due condizioni presenta gradienti termici responsabili delle tensioni che portano alla formazione delle cricche. Simulare in ambiente virtuale le condizioni di processo permette di prevenire le criticità in fase di progettazione,  allungando la vita media dello stampo per pressocolata e riducendo le criccature superficiali.


ARGO simula con un elevato grado di precisione le condizioni operative dello stampo verificando quali zone sono soggette a tensioni distruttive. ARGO infatti dispone di un elevato know how del processo maturato in anni di R&S nel settore della pressocolata, i nostri strumenti di calcolo modellano infatti:

  • condizioni di scambio termico complesse (contatto con leghe fuse, influenza della pressione, spruzzatura con aria compressa,...)
  • proprietà materiale non lineari
  • influenza della finitura superficiale
  • disposizione ottimale dei raffreddamenti

ESEMPIO APPLICATIVO DI CO-DESIGN

Per dimostrare la validità del metodo di analisi viene esposta la failure analysis eseguita su di un inserto stampo massivo, senza canali di raffreddamento interni, la cui particolare geometria comporta la formazione di cricche localizzate nella raggiatura delle "alette". Sono stati simulati in sequenza diversi cicli produttivi in modo da raggiungere le condizioni di regime termico, quindi sono state calcolate le tensioni nel pezzo durante un intero ciclo: dall'iniezione alla spruzzatura del lubrodistaccante. Nelle immagini seguenti le condizioni all'apice della fase calda e di quella fredda.

 temperatura max

Figura #1 Temperatura massima raggiunta dall'inserto.

temperatura min

Figura #2 Temperatura minima raggiunta dal tassello durante la spruzzatura.

Le tensioni che si generano sono in corrispondenza delle cricche effettivamente riscontrate sul campione reale Figura #3 e Figura #4.

vonMis 1 raggiatura

Figura #3 Localizzazione delle tensioni massime.

tassello cricche 6.3x

Figura #4 Cricche sperimentalmente rilevate sul tassello ad un ingrandimento di 6.3X

 Le tensioni nel punto dove sperimentalmente si verificano le cricche raggiungono l'apice durante la fase calda di iniezione e sono di compressione come si può vedere dal grafico seguente:

grafico tensioni


Attraverso la simulazione è stato determinato come il meccanismo di danneggiamento sia dovuto al picco di tensione di compressione: i valori delle tensioni sono infatti di poco superiore al limite di snervamento del materiale a quella temperatura. Il meccanismo di danneggiamento evidenziato dalla simulazione ha invertito l'ipotesi iniziale: in prima battuta ad una semplice ispezione il danneggiamento sembrava dovuto alla drasticità del raffreddamento, di conseguenza il Cliente era intenzionato a variare i parametri spruzzatura con il rischio dell'insorgere di altri più gravi problemi di adesione e soldering del getto (washout) su tutta la superficie dello stampo e non solo nel tassello.

L'analisi ha permesso al Cliente di risolvere il problema a colpo sicuro ridisegnando la raggiatura delle alette del singolo tassello, evitando così l'approccio "fai e rifai" e minimizzando i costi per la risoluzione del problema.

Le simulazioni FEM e CFD degli stampi per pressocolata in condizioni operative sono uno strumento estremamente efficace per la produzione di qualità e per il risparmio costi.

Tutorial sull'utilizzo base di elementi shell in Code_Aster basato sui preziosi suggerimenti di Roberto Lugli (code-aster.it), il quale mi ha illustrato con dovizia di particolari tutti i metodi e i suggerimenti necessari per impostare con cognizione di causa una simulazione 3d-shell meccanica in Code_Aster. La modellazione shell ha senso quando uno spessore del nostro componente è decisamente inferiore alle altre due: ad esempio le lamiere. In questi casi infatti discretizzare lo spessore reale (pochi mm) a fronte di dimensioni macro (dm o m) in una mesh 3D porta ad un costo computazionale elevato e non pratico dal punto di vista del risultato finale. Si procede pertanto ad una modellazione ad elementi shell (2d in uno spazio 3d) descretizzando le superfici dell'oggetto in elementi bidimensionali come triangoli o quadrati (Tet3 o Quad4, dove la cifra rappresenta il numero di nodi).
 
sheet metal shell
Esempio pratico di simulazione shell: carter in lamiera per applicazioni elettroniche. In visione sovrapposta la geometria semplice e la mesh di calcolo (tetra - netgen2D)
 

 
#1 MODELLIZZAZIONE Coque_3D o DKT ? in Code_Aster è possibile scegliere tra queste due modalità di modellazione, visto che ovviamente non possiamo usare la semplice 3D. DKT usa elementi lineari (Tet3 o Quad4) ed è pertanto più snello, di contro non tiene conto della curvatura dell'elemento. Coque_3D usa solo elementi bi-quadratici (Tet7 o Quad9): elementi quadratici ai quali viene aggiunto un nodo al centro dell'elemento, grazie a questo nodo la curvatura dell'elemento viene modellata con maggiore accuratezza. La mesh può essere convertita all'interno di Salome_Meca nel modulo mesh attraverso Mesh / Modification / Converto to/from quadratic.
In Code_Aster è comunque possibile convertire la mesh attraverso CREA_MAILLAGE.
 
CONSIGLIO: Finchè si resta in piccole deformazioni, e meglio ancora se in campo lineare, conviene sempre usare la modellazione DKT per semplicità.
 

model = AFFE_MODELE(AFFE=_F(MODELISATION=('DKT', ),

PHENOMENE='MECANIQUE',

TOUT='OUI'),

MAILLAGE=mesh)


 

#2 SPESSORE DELL'ELEMENTO SHELL. Ovviamente per ottenere risultati coerenti dobbiamo inserire nel software lo spessore (EPAIS) del nostro elemento bidimensionale, e questo viene fatto attraverso il comando AFFE_CARA_ELEM. Possiamo (e spesso dobbiamo) aumentare il numero di livelli di integrazione nello spessore (COQUE_NCOU), immaginiamolo impropriamente come una discretizzazione dello spessore fittizio del nostro elemento shell. Teoricamente in campo lineare è sufficiente 1 solo livello di integrazione, per il non-lineare si consiglia sempre di partire con almeno 3 livelli, ma potrebbero esserne necessari 5 o 7. Questo paramento può aiutare molto la convergenza. Nell'esempio sottostante si nota come si può anche dare spessori diversi a seconda dei gruppi della nostra mesh.  (https://www.code-aster.org/forum2/viewtopic.php?id=15182)
 

elemprop = AFFE_CARA_ELEM(COQUE=(_F(ANGL_REP=(0., 0.),

COQUE_NCOU=3,

EPAIS=0.01,

GROUP_MA=('steel10', )),

_F(ANGL_REP=(0., 0.),

COQUE_NCOU=3,

EPAIS=0.004,

GROUP_MA=('frame04', )),

_F(ANGL_REP=(0., 0.),

COQUE_NCOU=3,

EPAIS=0.003,

GROUP_MA=('cart03', ))),

MODELE=model)

 


 

#3 POSTPROCESSING. Bisogna ricordarsi, quando si usa elementi shell, di estrapolare i risultati in modo coerente affinchè Paraview possa utilizzarli. Il formato idoneo è quello dei RESU_NOEU (ad esempio SIGM_NOEU o EPSI_NOEU). Per estrapolare questi valori dobbiamo allungare un poco la parte di post-processing dopo l'analisi vera e propria. Una volta calcolati i campi ELNO questi vengono rielaborati con POST_CHAMP e l'apposita funzione EXTR_COQUE. Dobbiamo infatti dire a Code_Aster su quale livello (NIVE_COUCHE) vogliamo estrapolare le tensioni e le deformazioni (superiore, medio, inferiore) del nostro livello. Bisogna quindi selezionare il livello (NUME_COUCHE) coerente con il livello ricordando che 1 è il livello inferiore rispetto alla normale e il livello più alto corrisponde all'esterno (nel nostro caso 3):
 
"NUME_COUCHE = nume
Dans le cas d'un matériau multicouche (coque multicouche définie par DEFI_COQU_MULT), ou
d'un élément de structure avec comportement non linéaire local, intégré par couches,
NUME_COUCHE est la valeur entière comprise entre 1 et le nombre de couches, nécessaire pour
préciser la couche où l'on désire effectuer le calcul élémentaire. Par convention, la couche 1 est
la couche inférieure (dans le sens de la normale) dans le cas des éléments de coque mécanique
ou de coque thermique et correspond à la couche interne dans le cas d'un élément TUYAU.
NIVE_COUCHE = Pour la couche nume définie par NUME_COUCHE, permet de préciser l'ordonnée où l'on désire
effectuer le calcul élémentaire :
'INF' ordonnée inférieure de la couche (peau interne),
'SUP' ordonnée supérieure de la couche (peau externe),
'MOY' ordonnée moyenne de la couche (feuillet moyen).
You need to do something like
firstply=CALC_ELEM(RESULTAT=RESU,
                   REPE_COQUE=_F(NUME_COUCHE=1,
                                 NIVE_COUCHE='INF',),
                   OPTION=('EPSI_ELNO_DEPL',),);
lastply=CALC_ELEM(RESULTAT=RESU,
                  REPE_COQUE=_F(NUME_COUCHE=3,
                                NIVE_COUCHE='SUP',),
                  OPTION=('EPSI_ELNO_DEPL',),);
to see the results in each layer."
Una volta integrati i valori sul livello di riferimento viene calcolato il campo _NOEU attraverso un'altra funzione CALC_CHAMP avente come input i valori in uscita da POST_CHAMP.
 

res = CALC_CHAMP(reuse=res,

CARA_ELEM=elemprop,

CHAM_MATER=fieldmat,

CONTRAINTE=('SIGM_ELNO', ),

DEFORMATION=('EPSI_ELNO', ),

MODELE=model,

RESULTAT=res,

TOUT_ORDRE='OUI')

 

sup_res = POST_CHAMP(EXTR_COQUE=_F(NIVE_COUCHE='SUP',

NOM_CHAM=('SIGM_ELNO', 'EPSI_ELNO'),

NUME_COUCHE=3),

RESULTAT=res)

 

sup_res = CALC_CHAMP(reuse=s_res,

CARA_ELEM=elemprop,

CHAM_MATER=fieldmat,

CONTRAINTE=('SIGM_NOEU', ),

DEFORMATION=('EPSI_NOEU', ),

MODELE=model,

RESULTAT=s_res)

 

Si procede quindi ad esportare normalmente i risultati attraverso IMPR_RESU

Traduzione dell'intervento di ARGO al Code_Aster day di Modena del 23/11/18, English version here

Abstract. La simulazione del raffreddamento è uno strumento importante per la progettazione della tempra di un componente meccanico. I fattori che influenzano la qualità del processo sono molteplici e un approccio virtuale è sicuramente vincente e utile, specie quando è possibile farlo con strumenti open source ed affidabili come Code_Aster. Nel caso esposto, grazie alla simulazione, è stata individuata e risolta la causa di elevata difettosità su lotti temprati: la degradazione dell'olio da tempra era tale da non consentire più un raffreddamento utile a temprare il componente scelto. Il modello finale è stato quindi re-impiegato come strumento di controllo qualità per valutare nel tempo l'idoneità del bagno d'olio, valutandone l'idoneità a seconda delle geometrie trattate e della loro disposizione nel cesto, ottimizzando inoltre al meglio i costosi interventi di ricondizionamento dell'olio e soprattutto riducendo scarti e costi di esercizio.

 

La prova di non combustibilità UNI EN ISO 1182 è un test che permette di valutare la resistenza alla fiamma di un materiale collocato all'interno di un fornetto a "tiraggio" naturale. La macchina di test ha una geometria speciale caratterizzata da un lungo cono di imboccatura al fornetto posizionato nella parte inferiore. Il cono rovesciato ha diametro uguale a quello del forno (75mm) nella parte alta e un diametro di soli 10 mm nella parte inferiore, l'aria viene movimentata verso l'alto dalla parte calda del forno che genera una depressione all'altezza del foro da 10mm. Il tiraggio naturale per sua natura è fortemente influenzabile da molti parametri, non a caso nella norma si menziona l'esigenza di posizionare l'equipaggiamento di test lontano da correnti d'aria. Il flusso d'aria attraverso l'imboccatura del cono è bilanciato in modo da garantire l'adeguato apporto di ossigeno (favorendo la combustione) senza asportare eccessivo calore (evitando di rallentare così la combustione). Come ARGO abbiamo simulato la portata d'aria della prova in condizioni ideali di tiraggio naturale. Questi valori sono particolarmente utili per monitorare la ripetibilità di questi test rapportandoli ai dati sperimentali ottenuti posizionando un anemometro all'ingresso del cono di aspirazione naturale.

ENGLISH VERSION COMING SOON - FOR ANY INFO WRITE ME @ Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

 

Nonostante la grande attenzione mediatica (es. Industria4.0) i reali benefici dell’innovazione e della cultura del miglioramento continuo fanno fatica ad arrivare nelle imprese italiane. Il motivo di questa scarsa adesione risiede principalmente nel tessuto industriale italiano, come noto, composto in larga maggioranza da Piccole Medie Imprese (PMI).

Cosa significa dire che le piccole imprese non innovano? Bisogna precisare, le piccole imprese italiane sono spesso parte di un indotto o in ogni caso di un mercato globale, pertanto esse non sono totalmente stagne all’innovazione: i prodotti si sono aggiornati, sono più performanti e ottimizzati concorrendo a mantenere alta la percezione di manifattura italiana di qualità.

Allora in quali aspetti le PMI tendono a non innovare? L’innovazione latita prevalentemente nei processi produttivi, rimasti tecnologicamente indietro rispetto ai prodotti stessi. Di conseguenza emerge che le stesse procedure manifatturiere di 20 anni fa non sono più applicabili ai prodotti odierni. In questo contesto il vero tallone d’Achille della PMI italiana è la cultura del “si è sempre fatto così”.

Perché viene trascurata l’innovazione nei processi ? Non esiste un unico motivo quanto piuttosto un habitat in cui il “si è sempre fatto così” trova terreno fertile. In primis in una realtà piccola è oggettivamente difficile avere a disposizione un ventaglio di competenze industriali sempre aggiornate e sufficientemente vaste. Spesso le decisioni sia tecniche sia amministrative vengono prese da una singola persona, generalmente il titolare, la quale con il passare del tempo diventa meno recettivo e sensibile ad innovare. In nessun caso si può dire che la scelta di non innovare è consapevole, nella maggior parte dei casi non sono semplicemente noti e a portata l’ammontare dei costi che la stagnazione porta.

Qual è l’impatto sull’azienda di un processo non ottimizzato? Diverse analisi dimostrano che non innovare e trascurare l’ottimizzazione dei processi equivale a produrre in non-qualità. Non è per nulla semplice definire con certezza l’ammontare delle perdite finanziare associate alla scarsa innovazione. Esse sono specifiche per ogni azienda e rare sono le regole comuni. Esistono però dei valori medi, estrapolati  da studi universitari o consortili, sull’incidenza media. Una PMI che ha investito poco o nulla nell’innovazione di processo negli ultimi 10 anni o più può arrivare ad avere una percentuale di scarti effettivi anche superiore al 30%. I danni derivati da un numero elevato di pezzi non conformi sono molteplici e comprendono le misure correttive in corso d’opera, il valore aggiunto perso ed il danno di immagine con conseguente perdita di quote mercato.

Quindi a quanto ammontano i costi del non innovare?  Produrre per inerzia, senza innovazione o strategie di risoluzione problemi costa all’azienda un valore compreso tra il 6% ed il 13% del fatturato dell’azienda. Un valore non di rado superiore all’utile stesso dell’azienda! Considerato pari a circa 850 miliardi di € il fatturato delle PMI in Italia e che la % di aziende dove l’innovazione e l’ottimizzazione non trovano spazio sia ancora troppo estesa emerge chiaramente la quantità di profitto non realizzato.

Quanto costa innovare? L’innovazione di un processo non ha valori prestabiliti, dipende dal singolo caso specifico e può variare di uno o due ordini di grandezza, non esiste un valore medio. Spesso molti imprenditori chiudono le porte dell’azienda al pensiero di investire in innovazione cifre dell’ordine di alcune decine di migliaia di € a fronte di risparmi calcolabili in centinaia di migliaia di €. La base di tutto questo è ancora una volta la non consapevolezza dei costi non preventivati sostenuti in produzione per raggiungere il risultato “teorico” previsto in progettazione.

Non c’è limite alle spese di innovazione? Diversamente dal pensiero di certe culture tecnologico-entusiaste esiste un chiaro limite all’investimento in innovazione, ottimizzazione e R&S. Esiste una soglia oltre la quale la misura di innovazione ha un costo superiore al vantaggio economico prodotto. Spesso un’errata valutazione degli strumenti da impiegare per innovare porta ad investimenti cospicui che non sono ammortabili nel medio periodo o addirittura non sostenibili.

Come si innova e come si stabilisce un budget? L’approccio all’innovazione deve essere condotto da esperti in Innovation Management (IM) o esperti in ricerca industriale, possibilmente con l’appoggio di centri di ricerca o Università. Queste figure specifiche sono spesso assenti nelle PMI, per i motivi sopracitati, e pertanto è più conveniente per le aziende reperirle esternamente sotto forma di consulenza. Una consulenza che deve però procedere in totale sincronia con i vertici aziendali, stimando sulla base dell’esperienza e con i responsabili di produzione l’ipotetico incremento in produttività, definendo così l’entità della sacca di inefficienza e calibrando di conseguenza le misure degli investimenti.

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