Simple Solutions That Work! Issue 6

Contact: DAVID C. SCHMIDT dave@finitesolutions.com El proceso de simulación ocurre en dos fases: Simulación del metal líquido mientras entra y llena la cavidad del molde, y la simulación del consiguiente enfriamiento y solidificación del metal junto con la formación de defectos de macro- y micro-porosidad. Modelado Fluidodinámico: El modelado del comportamiento fluidodinámico es parte integral del proceso de simulación. El modelado del llenado permite calcular defectos relacionados al mismo, como llenados incompletos (misrun) y formación de óxidos por velocidad excesiva, estos defectos pueden predecirse y reducirse o eliminarse mediante cambios en el diseño antes de que la pieza entre en producción. El modelado fluidodinámico puede usarse para evaluar el diseño de la alimentación para entregar el metal deseado en la cavidad. Adicionalmente, el modelado del flujo de metal nos brinda un mapa de temperaturas inicial más realista para modelar el enfriado y solidificación subsecuentes de la pieza junto a sus canales y mazarotas, de modo de obtener un llenado correcto de la pieza. Se logra la simulación fluidodinámica usando Dinámica del Fluido Computacional (CFD), una técnica que resuelve las ecuaciones de fluidodinámica para el llenado del molde. Las ecuaciones básicas que gobiernan al fluido son las de Navier-Stokes; éstas correlacionan el flujo de líquido con el principio de conservación de momento así como también el movimiento en reacción a las fuerzas en el líquido, como gravedad, presión y fricción. La simulación del llenado permite que el ingeniero de procesos de la fundición visualice cómo fluye el metal líquido desde el punto de colado, atravesando los canales, hacia las cavidades del molde durante todo el proceso de llenado. Esto permite validar el diseño de la alimentación. Si estos canales no funcionan como se desea (por ejemplo, hay un flujo de metal desbalanceado entre los canales que atraviesan varias entradas), puede modificarse el diseño y volver a correrlo para verificarlo. Además, los cálculos hidráulicos se acoplan a los cálculos térmicos de modo que puede observarse la transferencia de calor del líquido durante el llenado y la distribución de temperaturas resultante dentro del metal. Esto permite la predicción de áreas dentro de la pieza donde podría ocurrir una solidificación prematura durante el llenado, dando lugar a defectos como pliegues o piezas no terminadas de llenar. Un cálculo preciso de la distribución de temperatura en el metal líquido en el molde completo se traduce en la mayor precisión para el posterior modelado del enfriamiento y solidificación del metal, Figura 3. Otro aspecto muy útil para la mejora de la calidad de la pieza en la simulación del llenado, es la predicción de la velocidad del metal líquido durante el llenado, Figura 4. Las áreas de velocidades más altas tienden a ser zonas donde aparece turbulencia, llevando a la formación de óxidos ya que la turbulencia permite que entre gas conteniendo oxígeno al flujo de metal. Por supuesto, la criticidad de este efecto depende en la afinidad que la aleación tenga por el oxígeno (su tendencia a formar óxidos), de modo que esto es más importante en aleaciones de aluminio, que posee gran tendencia a oxidarse, que por ejemplo, en aceros al carbono, que tienen una afinidad relativamente menor por el oxígeno. Casi todas las aleaciones, sin embargo, tienen alguna tendencia a formar óxidos y usar una herramienta de simulación para diseñar los canales de alimentación que minimicen la turbulencia del metal puede ser de gran ayuda para reducir los defectos relacionados con el llenado en las piezas coladas. Figura 3 Gráfica de distribución de temperatura durante el llenado del molde Figura 4 Gráfica de distribución de velocidades durante el llenado. FINITE SOLUTIONS INCORPORATED 105