L'ottimizzazione automatica di alcuni problemi ricorrenti 
nella pressocolata

Sebbene la simulazione di colata sia ancora una tecnologia relativamente giovane, ha ormai ottenuto largo consenso. Oltre alle grandi fonderie e ai fornitori diretti dell'automotive, la simulazione è divenuta pratica consolidata anche in fonderie di piccole e medie dimensioni, che la utilizzano soprattutto come strumento per testare la qualità dei getti su impianti e attrezzature nuove o modificate.

La simulazione delle fasi di riempimento della stampo e di solidificazione dei getti, è stata applicata per la prima volta in fonderia più di vent'anni fa. Sebbene la simulazione di colata sia ancora una tecnologia relativamente giovane, ha ormai ottenuto largo consenso: si stima che più di 500 fonderie in Europa usino programmi di simulazione. Oltre alle grandi fonderie e ai fornitori diretti dell'automotive, la simulazione è divenuta una pratica consolidata anche in fonderie di piccole e medie dimensioni, che la utilizzano principalmente come strumento per testare la qualità dei getti su impianti e attrezzature nuove o modificate. [1, 6].

Oggi si possono valutare centinaia di diverse configurazioni di canali di colata in una notte, per mezzo dell'ottimizzazione automatica. Il computer elabora tutte le variabili, simula il processo e trova automaticamente la configurazione ottimale.

A causa dei molteplici fattori che condizionano la qualità dei getti e delle complesse interazioni della fisica, della metallurgia e della geometria del pezzo, la conoscenza empirica costituiva la principale risorsa da cui dipendeva "l'ottimizzazione della produzione di getti". Con la simulazione di fonderia si può quantificare questa esperienza e quindi testare di norma "uno stato, una condizione", mentre per trarre conclusioni e miglioramenti dai calcoli si ricorre alle competenze di un esperto, In questa prassi il miglioramento e l'ottimizzazione, sono conseguenza di una serie di tentativi, sia reali che simulati.

Negli ultimi anni, il tempo di risposta di alcuni software di simulazione e notevolmente migliorato ed ora e possibile l'elaborazione di calcoli in parallelo su più processori/core. II tempo di calcolo necessario per una variabile del processo di colata da ottimizzare può così essere contenuto in pochi minuti. L'integrazione fra un software di simulazione di fonderia e uno dedicato all'ottimizzazione, rende possibile analizzare automaticamente più variabili e metterle in relazione con criteri-obiettivo definiti (es. bassa porosità e percentuali di scarto), e creare nuove variabili che possano essere analizzate nello stesso modo. Il desiderio di molti, di trovare soluzioni a problemi di colata in modo automatico attraverso il supporto del computer, è qulndi divenuta realtà, Si possono rlntracclare esempi in tal senso innanzitutto in casi di colate in gravita, sia in conchiglia che in sabbia, ove è prevalente l'ottimizzazione del sistema di alimentazione (materozze) [2], così come quello della geometria del canale di colata e degli attacchi di colata (2-5]. In queste pagine vogliamo concentrare la nostra attenzione su esempi di applicazione relativi a getti pressocolati.

Gli obiettivi di una progettazione evoluta
L'elemento principale da cui partire per favorire un miglioramento continuo del processo di fonderia e della qualità dei getti, e la progettazione degli stampi. Qualsiasi esperto di fonderia può facilmente elencare una lunga lista di obiettivi che dovrebbero essere ottimizzati simultaneamente, quali ad esempio:

• evitare la frammentazione della lega liquida nel canale di colata, così come le turbolenze e gli inglobamenti di gas nel getto;
• evitare gli ossidi e/o le gocce fredde;
• ottenere un riempimento uniforme e simultaneo delle cavità in stampi a più impronte;
• ottimizzare le sezioni trasversali del canale di colata per consentire un'efficiente alimentazione anche in getti con pareti sottili;
• dimensionare e posizionare i canali e gli attacchi di colata, e progettare la termoregolazione della stampo per evitare porosità da ritiro;
• minimizzare il volume del canale di colala per ridurre lo sfrido;
• evitare giunti freddi migliorando la fluidodinamica di riempimento.

Inoltre la durata della stampo ha impatti economici enormi sulla redditività della fonderia e di una determinata produzione, e come sappiamo essa è fortemente influenzata dalle variazioni di temperatura durante il ciclo di produzione.

Quindi grande cura dovrà essere dedicata alla geometria dei rami e degli attacchi di colata, alle sezioni degli stessi, in funzione della curva di iniezione scelta fra quelle possibili per rispettare i tempi di riempimento idonei agli spessori del getto.

Ottimizzare il processo di colata con una "ricerca mono-dimensionale"
Ogni fonderia ha un certo numero di processi soggetti a costante miglioramento. Quest'azione deriva dalla necessita di migliorare la qualità dei getti e di ridurre i costi di produzione.

In pratica, viene applicato un semplice metodo di ottimizzazione: a seguito di una serie di tentativi, prove, e miglioramenti successivi, la ricerca, che è mono-dimensionale, dovrebbe finalmente produrre un risultato accettabile, sebbene non si sia certi di aver raggiunto l'ottimo assoluto.

Per esempio con ottimizzazione del canale di colata s'intende che una prima versione della geometria di colata e progettata sulla base dell'esperienza, dopodiché il getto viene esaminato e, nel caso si sia verificato un problema, la geometria viene modificata (ancora empiricamente) e questo processo viene ripetuto fino a quando la qualita del getto e/o il rendimento del processo non sia ritenuto accettabile (fig. 1).

Fig. 1: Per ottimizzare la produzione di un getto, secondo l'approccio convenzionale, si progetta una prima versione di colata sulla base dell'esparienza, il getto realizzato verrà sottoposto ai controlli di qualità e lo stampo verrà modificato sistematicamente fino ell'eliminazione dei problemi. Questo iter viene ripetuto finché non si giunge ad un risultato soddisfacente.

Tipici della ricerca monodimensionale sono un ridotto numero di tentativi ed il rischio di finire in un vicolo cieco. Ci sono numerosi esempi che vengono dalle fonderie e che lo provano, sebbene, piuttosto spesso si trovi una soluzione sorprendente ai problemi dopo un radicale riassetto. La ricerca monodimensionale è un metodo di ottimizzazione che si adatta al modo di pensare e di agire umano.

Si può lavorare sistematicamente e velocemente perche l'esperienza e la capacità di comprensione permettono di ottenere un ottimo relativo dopo solo pochi tentativi. Nella pratica di fonderia l'efficacia di quest'approccio di ottimizzazione è sostanzialmente migliorato negli ultimi anni: al giorno d'oggi le prove sono spesso condotte non sullo stampo e sui getto reali, ma virtualmente per mezzo della simulazione. Contemporaneamente i requisiti di produttività e di robustezza del processo produttivo di getti pressocolati di alta qualità sta aumentando costantemente e la necessita di produzioni economiche richiede una progettazione estremamente accurata della stampo e del processo manifatturiero. In tutto questo l'applicazione dell'esperienza a nuovi progetti diventa sempre più complicata e perciò discutibile.

C'è dunque un'incalzante necessita per la fonderia e per i progettisti di eliminare la procedura "per tentativi"

L’Ottimizzazione computerizzata automatica
L'ottimizzazione computerizzata automatica rappresenta un nuovo approccio per risolvere le difficoltà del processo manifatturiero. I risultati delle simulazioni di cui qui trattiamo, sono ottenibili con il software MAGMAsoft, che consente di utilizzare parametri di processo e geometrie delle colate variabili, come un campo di sperimentazione virtuale. Per far ciò, il programma di simulazione è stato integrato all'interno di un ciclo di ottimizzazione che gira senza l'interazione dell'utente, a seguito della definizione degli obiettivi di ottimizzazione e dei limiti imposti alle variabili.

Diversi obiettivi, persino contrastanti, possono essere perseguiti simultaneamente (es. qualità del getto, cadenza produttiva, risparmio di materiale) e per raggiungere gli obiettivi dell'ottimizzazione si possono introdurre come variabili alcune grandezze di produzione (es. condizioni di colata, materiali, temperatura dello stampo, curva di iniezione, condizioni di lubrifica ecc.) e della stampo (es. geometrie dei canali di colata, dimensionamento degli attacchi, posizione e dimensione dei canali di termoregolazione) (fig.2). La strumento di ottimizzazione magmaFRONTIER si basa su algoritmi genetici. La prima generazione di variabili è definita DOE (design of experiments) usando l'esempio di progettazione sperimentale statistica - dal maggior numero di versioni possibili, vengono processate numerose generazioni.

Fig. 2: Ottimizzazione con MagmaFrontier. Basandosi sulla scelta di iniziare la progettazione individuando le variabili possibili e i vincoli produttivi, l'algoritmo di ottimizzazione processa automaticamente un'analisi simultanea con più obiettivi e trova i parametri produttivi ottimali, come ad esempio la disposizione dei circuiti di termoregolazione dello stampo.

Secondo le leggi della genetica, le generazioni positive sopravvivranno, come ad esempio i design con pochi inglobamenti d'aria, ridotta porosità da ritiro o elevato snervamento. In questo modo vengono individuati i migliori compromessi tra gli obiettivi fissati. Le informazioni quantitative sull'impatto delle condizioni di processo modificate, ottenute durante I'ottimizzazione, possono essere usate anche per studi di sensibilità.

Perciò l’esperto di fonderia otterrà molte più informazioni dai risultati ottimizzati che sulla sola parte in esame. Il "processo per tentativi", è ora automatizzato e lasciato al computer, con notevoli risparmi di tempo. Con questa nuova metodologia di simulazione, si ottiene la migliore combinazione di parametri possibile, nello spazio delle variabili assegnate. Ciò verrà chiarito meglio con gli esempi proposti di seguito, che coprono alcune casistiche significative per la pressocolata.

Uniformare il riempimento di uno stampo a più impronte, minimizzando la formazione di ossidi
La maggior parte di piccoli getti viene prodotta in stampi a cavità multiple. Per produrre parti di qualità uniforme e per permettere un riempimento omogeneo dello stampo, le cavità dovrebbero essere riempite tutte allo stesso tempo, evitando picchi locali nel flusso. In questo primo esempio, sei getti vengono colati simultaneamente (fig.3 ).

Fig. 3: Modello CAD del ramo di colata di uno stampo a sei impronte. L'impostazione nella figura e il risultato della disposizione delle cavità nel minor spazio possibile.

Normalmente, l'andamento delle sezioni trasversali dei sei canali di colata e stabilito dal progettista sulla base dell'esperienza e di "tabelle" ricavate da vari manuali. Nel nostro caso, ciò è fornito dal programma di ottimizzazione. Il modello 3D parametrico della geometria è inserito in MagmaSoft per tale scopo. La fig. 4 mostra alcune possibili configurazioni del sistema di colata. Approfittando della simmetria presente, i calcoli sono condotti sempre su una metà della matrice dello stampo, il che è sufficiente per la simulazione e consente risparmi di tempo di calcolo.

Fig. 4: Tre dlfferenti configurazioni del sistema di colata. La geometria parametrica consente la variazione delle sezioni trasversali del canale e degli attacchi di colata in ogni posizione richiesta.

Il tempo di riempimento per ogni cavità è un dato fornito dalla simulazione, e questo è calcolato da quando il pistone comincia a muoversi fino al completo riempimento della cavità. La funzione-obiettivo fissata per l'ottimizzazione, e quella di rendere le deviazioni tra i tempi di riempimento di ciascuna impronta, le più piccole possibili, agendo su determinate sezioni trasversali dei canali di colata.

Fig. 5: Durata del contatto con l'aria della lega colata nelle cavita dello stampo e la deviazione dei tempi di riempimento per le diverse versioni calcolate dall'algoritmo di ottimizzazione.

Oltre ad un processo di riempimento omogeneo di tutte le cavità, in questo esempio si dovrà evitare la formazione di ossidi. Come risultato del riempimento dello stampo simulato, l'intensità con cui la lega colata viene in contatto con l'aria contenuta nello stampo, può essere analizzata in termini di distribuzione locale, in ogni punto della cavità della stampo riempita. Su tale base, la riduzione della formazione degli ossidi calcolata nelle impronte, è stata definita come seconda funzione obiettivo dell'ottimizzazione.

La fig. 5 illustra il contatto dell'aria nelle cavità e la deviazione dei tempi di riempimento per le 486 versioni calcolate in automatico. Ogni punto rappresenta una versione calcolata dall'algoritmo di ottimizzazione. Le versioni classificate come "buone" sono localizzate nell'intervallo in basso a sinistra del grafico, dove si identifica il riempimento omogeneo della cavità con il minor contatto con l'aria possibile. La linea blu del grafico segnala le migliori varianti suggerite dalle funzioni-obiettivo - l'ottimo finale e stabilito dal progettista soppesando i due obiettivi.

Fig. 6: L'andamento della lega nello stampo a 970 millisecondi (sinistra) e a 986 millisecondi (destra) dopo l'inizio del movimento del pistone.

Il "miglior compromesso" tra entrambi gli obiettivi, e rappresentato dalla versione colorata in verde nel grafico. La Figura 6 illustra il riempimento della cavità della stampo per il sistema di colata prescelto, in due differenti momenti. Le cavità sono riempite simultaneamente, e questo è quello che consideriamo un riempimento ideale. Come si può vedere in fig. 6, inizialmente l'analisi dell'ossidazione della lega non ci ha fornito un risultato soddisfacente. Il diagramma a nube di punti mostra una riduzione qualitativa del contatto con l'aria, dovuta alla variazione della geometria del sistema di colata però il miglioramento ottenuto con questa versione non è sufficiente per poter parlare di un risultato assolutamente soddisfacente. In un secondo ciclo di ottimizzazione, la curva di iniezione è stata aggiunta alla geometria delle sezioni trasversali del canale di colata, come variabile di progetto. Gli ulteriori gradi di libertà a disposizione per I'ottimizzazione, in questa caso sono costituiti dal punto di commutazione e dalla velocità del pistone nella seconda fase di riempimento della cavità dello stampo. Il miglioramento concernente la propensione alla formazione di ossido, ottenuto in 620 versioni simulate e illustrato in fig. 7.

Fig. 7: Contatto con l'aria della lega colata prima dell'ottimizzazione (a), dopo l'ottimizzazione geometrica (b), e dopo l'ottimizzazione della curva d'iniezione (c), La durata del contatto con l'aria durante il riempimento della cavità della stampo è usata come misura della propensione alla formazione di ossidi.

L'ottimizzazione della curva di iniezione può apparire secondaria in certe opinioni, ma il risultato di questo caso evidenzia il grande impatto che la curva di iniezione ha sulla qualità del getto, e quindi anche la necessita per l'esperto di fonderia di prestare attenzione alla regolazione di una curva di iniezione ottimizzata e riproducibile.

Minimizzazione della porosità da gas
Evitare la porosità da gas e uno dei compiti primari della buona progettazione in pressocolata. Durante tutta il processo di riempimento della stampo, la lega colata dovrebbe riempire completamente i rami e gli attacchi di colata per evitare che l'aria rimanga intrappolata nel getto.

Le bolle intrappolate nella lega dovrebbero uscire più velocemente possibile attraverso i pozzetti. È innegabile che la progettazione della geometria degli attacchi di colata e dei pozzetti, ha un impatto enorme sulla quantità e sul percorso dell'aria che rimane intrappolata nel getto.

Fig. 8: Anello per pistoni; l'area sulla circonferenza dell'anello è lavorata meccanicamente e deve essere assolutamente esente da porosità.

Fig. 9: Tre differenti configurazioni della geometria degll attacchi di colata e dei pozzetti. Il profilo angolare di attacco al getto e l'estensione degli attacchi dei pozzetti sono variabili.	Fig. 10: Distribuzione dell'aria intrappolata nel getto dopo il riempimento, prima dell'ottimizzazione (sinistra) e dopo l'ottimizzazione (destra)

Approfittando della simmetria presente, vengono mantenuti fissi la geometria del getto e del ramo principale di colata, mentre vengono modellati in modo parametrico gli attacchi di colata e i pozzetti. In fig. 9 si vedono tre versioni possibili di questa geometria. Per ogni versione, la simulazione mostra la distribuzione dell'aria nella cavità alla fine del riempimento. Lo scopo dell'ottimizzazione è stato quello di mantenere l'aria intrappolata nell'area critica dell'anello, al livello minimo possibile. Sono state simulate 360 versioni e il risultato, tradotto in un sostanziale miglioramento, è chiaramente visibile in fig. 10. Con l'ottimizzazione automatica è stato possibile mantenere esente da bolle l'area critica per la lavorazione meccanica, assicurando un'elevata qualità del getto.

Eliminazione delle porosità da ritiro
Le porosità da ritiro spesso si formano nelle zone massive del getto e ciò genera problemi sia in relazione al carico in esercizio sostenibile dal getto, sia alla fase delle lavorazioni meccaniche. Le zone massive, nella maggior parte dei casi, hanno ragioni funzionali, il che rende impossibile la loro completa eliminazione attraverso la modifica del disegno del getto. Di conseguenza, risulta di fondamentale importanza fornire le condizioni appropriate per l'alimentazione di queste zone e dell'intero getto. Le caratteristiche principali che vengono prese in considerazione durante la progettazione, per evitare questo tipo di problemi, sono la disposizione degli attacchi di colata attraverso i quali il getto può essere alimentato a fine riempimento, durante la terza fase, e il controllo locale della temperatura dello stampo. L'esempio qui riportato è relativo a un componente di un freno idraulico. Le cavità da ritiro, in questo caso, possono formarsi nelle aree dei due canotti laterali e nella sede della guarnizione.

Fig. 11: Vista frontale del componente freno. I canotti laterali sono critici in termini di porosità da ritiro.

Queste zone devono essere lavorate meccanicamente e pertanto richiedono i migliori requisiti in termini di densità (fig. 11). La fig. 12 mostra il componente e l'impostazione dello stampo. Come si vede oltre al singolo ramo di colata, sono previsti sette circuiti di termoregolazione. Di conseguenza, sono disponibili diversi gradi di liberta per l'ottimizzazione. Da un lato abbiamo la geometria dell'attacco che può essere variata per facilitare la compattazione della lega, dall'altro i circuiti di termoregolazione che possono essere utilizzati con fluidi a temperature diverse e attivati in momenti diversi.

Fig. 12: Componente freno con circuiti di termoregolazione (a) e attacco di colata (b). II miglior comportamento dei sette circuiti di termoregolazione è calcolato con l'ottimizzazione. L'attacco di colata è parametrizzato e la sua geometria può essere modificata dall'ottimizzatore.

Fig. 13: Il componente freno con porosità da ritiro. Prima dell'ottimizzazione (sopra) e dopo l'ottimizzazione (sotto). Nella versione ottimizzata, le cavità da ritiro sono state eliminate dalle aree me devono essere lavorate.

Ottimizzazione dello squeezing meccanico locale
Le cavità da ritiro che sono in zone circondate da pareti sottili, spesso non possono essere evitate con la compattazione di terza fase dell'iniezione. In questi casi una possibile soluzione per ottenere un getto di buona qualita è ricorrere allo squeezing meccanico locale.

Fig. 14: La solidificazione del getto necessita di maggior tempo nelle zone massive. In queste zone si formano le cavità da ritiro. Poiché quest'area non sarà compattata a sufficienza, la soluzione sara uno squeezing meccanico locale.

Il caso descritto in fig. 14 è relativo al dimensionamento del sistema di squeezing per l'alimentazione forzata dell'area critica del getto. Nella pratica comune, questi sistemi devono essere ottimizzati per tentativi, il che rende la fase di messa a punto lenta e costosa. Lo studio di ottimizzazione rende automatica questa ricerca e consente di trovare la configurazione corretta che assicuri la massima qualità al getto con il minima volume della squeezer (fig. 15).

Fig. 15: Illustrazione del criterio di alimentazione: a destra la versione del sistema di squeezing meccanico locale individuata dall'ottimizzazione (non è visibile alcuna cavità del ritiro nell'area critica); e sinistra una versione di dimensioni molto simili in cui però sono presenti le cavità da ritiro.

Conclusioni
Gli esempi qui descritti illustrano come l'ottimizzazione automatica delle tecniche di colata, basata sulla simulazione, sia entrata definitivamente nella pratica di fonderia. L'eliminazione del metodo per tentativi da al progettista e al tecnologo l'opportunità di perfezionare i processi fino al raggiungimento della migliore qualità, con la massima riduzione dei costi.
Si possono in questo modo acquisire conoscenze dettagliate in merito alla sensibilità delle attrezzature e alle loro interazioni con i parametri di processo, mettendole in relazione alla qualità finale del getto. Il ventaglio di possibilità disponibili non è state esaurito e prevediamo un notevole sviluppo anche nelle prossime versioni, a tutto vantaggio dei processi di colata, delle fonderie, e dell'utilizzo sempre più esteso di getti pressocolati.

Bibliografia

• [1] "Druckgusspraxis" n.3 (giugno 2005), pp. 90-94.
• [2] "Giesserei" 91 (10/2004), pp. 22-30.
• [3] J.C. Sturm, Optimierung von Giesstechnik und Gussteilen. Symposium on Simulation in Product and Process Development, November 5-7,2003, Brema (Germania).
• [4] "Giesserei" 94 (4/2007), pp. 34-42.
• [5] S. Di Rosa, D. Trabucco, P. Parona, Flussi di ottimizzazione di processo, " Fonderia Pressofusione", giugno 2008.
• [6] G. Hartmann, P. Parona, U. Weiss, Come ottenere getti con prestazioni migliori, "Fonderia Pressofusione", ottobre 2007.
  
  

Per maggiori informazioni:
info@enginsoft.it