Software para predecir problemas en solidificación.pdf
- 1. 1 Software para predecir problemas en solidificación Integrante. Deisbis Raúl González Miranda C.I: V-13797127 Exp. 961-0110
- 2. 2
- 3. 3 Introducción La solidificación es un proceso crítico en la fabricación de piezas fundidas, donde la calidad del producto final puede verse afectada por diversos defectos como porosidades, inclusiones o distorsiones. Predecir estos problemas antes de que ocurran es esencial para garantizar la integridad estructural y la funcionalidad de las piezas. El uso de software de simulación se ha convertido en una herramienta invaluable en este ámbito. Estos programas permiten a los ingenieros y diseñadores modelar el proceso de solidificación, identificar posibles defectos y ajustar los parámetros de diseño antes de la producción real. Al simular el flujo de metal líquido dentro del molde y su posterior enfriamiento y solidificación, se pueden prever problemas como el rechupe (shrinkage) y el llenado incompleto del molde. En la industria de la fundición y la metalurgia, la solidificación del metal es un proceso fundamental que puede estar plagado de desafíos técnicos. Los defectos durante la solidificación, como la segregación, la formación de porosidades o la contracción, pueden comprometer la calidad y la integridad estructural de las piezas metálicas. Aquí es donde el software de simulación se convierte en un aliado crucial.
- 4. 4 DESARROLLO El software de simulación de solidificación utiliza modelos matemáticos avanzados para predecir cómo el metal líquido se solidificará dentro de un molde. Estos modelos pueden incluir complejas ecuaciones de transferencia de calor y flujo de masa, como la ecuación de conducción de calor, por citar alguna: q=−k∇T Donde: (q) es el flujo de calor, (k) es la conductividad térmica del material y (∇T) es el gradiente de temperatura. Los ingenieros pueden introducir variables específicas del proceso, como: La geometría del molde. La composición del metal. Las condiciones de enfriamiento. Para así, visualizar y analizar el proceso de solidificación. Esto permite identificar áreas propensas a defectos y realizar ajustes antes de la producción real, ahorrando tiempo y recursos valiosos. Además, el software puede ayudar a optimizar los parámetros de proceso, como las tasas de enfriamiento y las rutas de flujo del metal, para mejorar la calidad de la pieza final. Con la ayuda de estas herramientas, los fabricantes pueden acercarse a la “fundición perfecta”, minimizando los defectos y maximizando la eficiencia. En resumen, el uso de software para predecir problemas en la solidificación es un componente esencial en la modernización de la fabricación de metales, permitiendo a las empresas mantenerse competitivas al garantizar la calidad y reducir los costos de producción. Las ventajas de utilizar software de simulación para la predicción de defectos en la solidificación son significativas: Ahorro de tiempo y recursos: Se reducen los ciclos de prueba y error en la fundición real. Mejora de la calidad: Se anticipan los defectos y se toman medidas correctivas en la etapa de diseño. Optimización del proceso: Se ajustan las condiciones de operación para obtener piezas de mejor calidad. En resumen, el software de simulación es una herramienta poderosa que ayuda a los profesionales a comprender mejor y optimizar el proceso de solidificación, lo que resulta en productos más confiables y de mayor calidad.
- 5. 5 La simulación en fundición es una herramienta valiosa que utiliza métodos numéricos para calcular la calidad de los componentes fundidos. Aquí están los pasos clave involucrados en el proceso de simulación: Generación del modelo: Se crea un modelo virtual en 3D que representa el proceso de fundición. Esto incluye la geometría de la pieza, el molde y los canales de alimentación. Llenado del molde: El software simula cómo fluye el metal fundido hacia el molde. Considera factores como la velocidad de llenado y la presión. Solidificación y enfriamiento: La simulación predice cómo se solidifica el metal dentro del molde. Esto afecta la microestructura y las propiedades mecánicas. Propiedades mecánicas y tensiones: Se evalúan las propiedades mecánicas, esfuerzos térmicos y distorsiones resultantes. En resumen, la simulación en fundición permite a los fabricantes identificar posibles defectos de diseño, reducir errores y optimizar el proceso antes de la producción real. El uso de software de simulación puede presentar algunos desafíos comunes. Aquí están algunos de ellos: Limitaciones tecnológicas: Los fallos técnicos o problemas de software pueden interrumpir el proceso de aprendizaje y afectar la experiencia de los usuarios. Costo inicial: Aunque los simuladores pueden ahorrar costos a largo plazo, la inversión inicial en software y hardware puede ser significativa. Curva de aprendizaje: Los usuarios pueden requerir tiempo para familiarizarse con la interfaz y las funciones del software. Limitaciones en la reproducción de situaciones complejas: Algunas situaciones complejas pueden ser difíciles de simular con precisión. Dependencia de la calidad de la simulación: La precisión de los resultados depende de la calidad del modelo y los datos de entrada. Falta de interacción física: Los simuladores no proporcionan la misma experiencia táctil que la vida real. Dependencia de la alimentación de datos: La precisión de los resultados depende de la precisión de los datos proporcionados. Posibles limitaciones éticas: Algunas simulaciones pueden plantear dilemas éticos. Posible falta de colaboración e interacción humana: Los simuladores no reemplazan completamente la interacción entre personas. Limitaciones en el aprendizaje práctico: Aunque los simuladores son útiles para la teoría, no siempre sustituyen la experiencia práctica.
- 6. 6 Para superar los desafíos en el uso de software de simulación, aquí tienes algunas estrategias: Capacitación y soporte: Proporcionar capacitación adecuada a los usuarios para reducir la curva de aprendizaje. Ofrecer soporte técnico para resolver problemas y dudas. Actualización y mantenimiento: Mantener el software actualizado para evitar errores y aprovechar nuevas características. Realizar pruebas periódicas para verificar su funcionamiento. Validación y verificación: Verificar la precisión de los resultados mediante comparaciones con datos experimentales o casos conocidos. Validar los modelos y las entradas. Colaboración interdisciplinaria: Involucrar a expertos en diferentes áreas (ingenieros, diseñadores, fabricantes) para abordar situaciones complejas y garantizar una simulación más precisa. Mejora de la calidad de los datos: Asegurarse de que los datos de entrada sean confiables y representativos. Corregir errores y omisiones. Pruebas piloto: Realizar pruebas piloto antes de implementar completamente el software. Identificar y resolver problemas antes de la producción real. Ética y responsabilidad: Considerar las implicaciones éticas de las simulaciones y tomar decisiones responsables. Combinar simulación con experiencia práctica: Utilizar la simulación como complemento a la experiencia práctica en lugar de reemplazarla por completo. En resumen, una combinación de capacitación, colaboración, validación y consideración ética puede ayudar a superar los desafíos en el uso de software de simulación. Algunos Simuladores usados: FLOW-3D Cast®: Este software proporciona una solución completa para simular el comportamiento de la fundición en una amplia gama de sistemas. Ofrece información detallada sobre el llenado y la solidificación de la pieza, rastreando defectos como porosidad, óxidos superficiales, aire arrastrado y burbujas. Además, permite analizar perfiles térmicos y otras propiedades. FLOW-3D Cast® es utilizado por ingenieros de diseño para ahorrar costos y acelerar el tiempo de comercialización. Pro-CAST: Este programa de cómputo simula procesos de fundición y analiza la solidificación, el flujo térmico y el comportamiento metalúrgico. Puede utilizarse en fundición por presión, gravedad, colada continua, cera perdida, entre otros. Poligon-Soft: Una herramienta profesional para modelar y optimizar procesos de fundición de metales. Poligon-Soft predice la formación de defectos en piezas fundidas utilizando modelos de macro y microporosidad de contracción.
- 7. 7 MAGMASOFT®: Reconocido a nivel mundial, es un software de simulación de procesos de fundición que ofrece resultados precisos y permite interpretar correctamente el comportamiento de la pieza fundida. Es uno de los programas más ampliamente utilizados en la simulación de procesos de fundición. Su reconocimiento a nivel mundial se debe a su precisión en los resultados y su capacidad para interpretar el comportamiento de las piezas fundidas. La simulación en fundición ofrece varias ventajas importantes: Optimización del proceso: La simulación permite probar diferentes parámetros y condiciones antes de la producción real. Esto ayuda a optimizar el proceso de fundición, reduciendo el tiempo de prueba y los costos asociados. Predicción de defectos: Mediante la simulación, es posible predecir defectos como porosidad, contracción, inclusiones y segregación. Identificar estos problemas antes de la producción en masa permite tomar medidas correctivas y mejorar la calidad de las piezas fundidas. Diseño de sistemas de alimentación y enfriamiento: La simulación ayuda a diseñar sistemas de alimentación y enfriamiento más eficientes. Esto garantiza un llenado uniforme de la cavidad y una solidificación adecuada, evitando defectos. Reducción de prototipos físicos: Al simular el proceso, se reduce la necesidad de crear prototipos físicos para pruebas. Esto ahorra tiempo y recursos. Análisis térmico y de tensiones: La simulación permite evaluar el comportamiento térmico y las tensiones en la pieza fundida. Esto es crucial para evitar fallas y garantizar la integridad estructura. En resumen, la simulación en fundición mejora la eficiencia, la calidad y la confiabilidad del proceso, lo que beneficia tanto a los fabricantes como a los diseñadores. En particular un Software muy usado, en diseño y construcción de moldes permanentes es el software VULCAN basado en el Método de Elementos Finitos (MEF). La simulación se realiza en las tres etapas del proceso de fusión: llenado, solidificación y, enfriamiento. En el llenado se considera que existen velocidades que no produzcan mayores turbulencias y que las piezas se llenen completamente. En la Solidificación se analiza que el sistema de alimentación sea óptimo para que solidifique en última instancia y no lo hagan las piezas a producir, evitando así el defecto de falta de material en la cavidad del molde (rechupes). En el enfriamiento se analiza la presencia de deformaciones y tensiones residuales. Paralelamente se validan los resultados de manera analítica. Con esta información se define la geometría final del molde metálico y se confirma la aleación con la que se construirá. Posteriormente se utiliza el sistema CAD-CAM-CAE para el diseño y desarrollo del molde, y así llevar a cabo la construcción. En nuestro medio existen varios, software en estudios de MEF para la simulación en piezas fundidas (NovaFlow & Solid, ViewCast, CastCAE, MAVIS, Vulcan-GID, ANSYS, etc.
- 8. 8 Método de elementos finitos: Un aspecto fundamental para una correcta simulación es una clara comprensión del procedimiento implementado por el software a utilizar. El objetivo de este método es el cálculo de las variables de campo dentro de su contorno. Para ello se procede a elegir un modelo matemático apropiado que como característica principal debe tener continuidad, y luego se procede a dividir el dominio en un número determinado (finito) de elementos, esta división se la determina por las características intrínsecas del fenómeno que estemos analizando y de su forma. Softwares basados en el MEF: para la fundición de metales De los más conocidos en un primer grupo son: CapCast EKK, Flow-3DCast, MagmaSoft, Mavis, NovaCast, ProCast, QuickCast, Simtec, SolidCast, TherCasty, Vulcan-GID. Dentro del segundo grupo se debe destacar a ANSYS y ABAQUS. que solucionan los principales problemas que se presentan en el fenómeno de llenado, solidificación y enfriamiento de una moldura producida en coquilla y en molde perdido. ADIMAT: Se define como “El Asistente que permite la realización y análisis de Diagramas de Fases en Equilibrio a Ingenieros de Materiales y otros estudiantes o profesionales relacionados con la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, es un método gráfico que ayuda a entender los mecanismos de solubilidad, transformación, endurecimiento y equilibrio de fases, y trasladarlos a la utilización real de los mismos en la industria (tratamientos, procesos, modificación de propiedades). Basa su funcionamiento en la recogida, cálculo, representación y análisis de puntos significativos (como temperaturas de fusión, temperaturas de cambios alotrópicos, puntos de transformación de fases) para representar los diagramas de fases, dentro del equilibrio. Concretamente, resuelve sistemas de materiales con facilidad, sistemas bifásicos de materiales con transformaciones del tipo Eutéctico, Peritéctico y Eutectoide (endurecimiento por precipitación durante la solidificación), las tres reacciones más importantes dada su aparición en distintos sistemas de materiales. Entre todas las transformaciones que pueden ocurrir, como sabemos, éstas son las más importantes por su utilización en procesos y tratamientos industriales. Base científica del programa ADIMAT Cuando nos disponemos a estudiar qué tipo de aplicación es más apropiada para un material en concreto, debemos tener en cuenta distintos factores: Estructura del material Propiedades del material Método de procesado del material Si el ingeniero modifica alguno de estos tres aspectos, los otros dos también cambian. A menudo, como sabemos, cambios estructurales pequeños tienen un efecto profundo sobre las propiedades del material. Por ejemplo, pequeñísimas adiciones de impurezas modifican de forma extraordinaria la conductividad de un semiconductor.
- 9. 9 Las propiedades de los materiales pueden verse modificadas por la influencia de elementos agregados a la aleación. La introducción de defectos puntuales modifica la composición del material, influyendo sobre el comportamiento durante la solidificación. Este efecto se analiza mediante el diagrama de fases de equilibrio, a partir del cual se podrá predecir cómo se solidificará un material, tanto en condiciones de equilibrio como fuera de éste. La relación estructura- propiedades-procesado se ve modificada por el medio ambiente al cual esté sujeto el material. Lo esperado sería una solidificación (de una aleación) en la que los elementos difundan durante el enfriamiento, a fin de satisfacer el diagrama de fases y producir una estructura de equilibrio uniforme, pero no en todos los diagramas las transformaciones se realizarán de manera tan simple. Las transformaciones por las que pasan ciertas aleaciones para llegar a la estabilidad solidificados en ocasiones son muy complejas. Incluso, un enfriamiento rápido puede complicar las condiciones de equilibrio y la difusión de los átomos, de manera que, se observa que el tiempo es otro factor importante que interviene en los procesos de solidificación. Modelos microestructurales En el proceso de solidificación, los dos tipos de modelos micro-mecánicos, más empleados para la simulación de la evolución de la microestructura son: Los basados en la técnica de autómatas celulares (AC), que consiste en la subdivisión del dominio elegido en una cuadrícula de celdas de tamaño regular que almacenan información y sobre las cuales se aplican determinadas reglas (Dardati et al, 2005). En este tipo de análisis se suelen combinar leyes determinísticas y probabilísticas. Este método permite visualizar la microestructura y hace posible la comparación cualitativa directa con micrografías obtenidas de la pieza o probeta. (Ver Figura).
- 10. 10 Los basados en la aplicación de leyes de carácter determinístico sobre volúmenes microscópicos representativos que, en general, están constituidos por un grano. En este caso se trabaja con promedios y porcentajes y no se puede visualizar directamente el aspecto de la microestructura. En la Figura 01 se representa, en forma esquemática, la discretización de una pieza para la aplicación del método de los elementos finitos y los volúmenes representativos a nivel microscópico para las dos formas de modelado mencionadas.
- 11. 11 La simulación del llenado del molde permite también observar el régimen del flujo de metal en la cavidad del molde, la posible turbulencia que se formaría y corregir la forma del sistema de alimentación en caso de problemas. En la figura 02 se muestra una secuencia de imágenes que se corresponden con la simulación del llenado del molde.
- 12. 12
- 13. 13 Conclusión Con el uso de Software se evita perdidas de material y de trabajo, permite directamente construir un molde útil una vez simulado. Los resultados que se obtienen reducen el tiempo de Diseño, y permite eliminar errores en el sistema de alimentación. Con la simulación en el software se tiene una clara orientación para los errores, que se representan en el periodo de pruebas luego de construida la coquilla. La simulación es una herramienta muy útil, pero NO remplaza el cálculo analítico NI las consideraciones técnicas que el diseñador ha de tomar. Con el uso de Software se logra la obtención de piezas fundidas de mayor calidad. Está demostrado que todo esto conlleva ahorros considerables para la empresa que lo utilice. Es por esto que no se concibe hoy la fundición sin la simulación, que es sinónimo de mejores piezas fundidas en menos tiempo y con un mayor aprovechamiento de metal.
- 14. 14 Bibliografía. Modelización de la Interacción de Partículas con Interfaces de Solidificación M.R. Rosenberger, E.M. Agaliotis, C.E. Schvezov Prog. Materiales, Modelización y Metrología. Azara 1552. (3300) Posadas, Misiones. Argentina Modelo de Ingenieria Metalúrgica. Mecánica Computacional, 2007. Autor: Sergio Eleaskar. Universidad Tecnológica Nacional. Predicción de defectos en piezas fundidas mediante el uso de la simulación. Revista Cubana de Ingenieria. Autor: Tania Rodriguez & Andres Parada, 2010.