Gating Systems
Gating Sist Gating Sistem em da dan n Casting Desain
Gating systems ialah jaringan pipa /saluran logam cair untuk memasuki cetakan (pasir, logam, dll) untuk mengisi seluruh rongga cetakan yang diikuti oleh pembekuan logam cair untuk menghasilkan bentuk benda casting. Hukum-hukum aliran fluida yang umum digunakan untuk menghasilkan gating system yang optimal antara lain : Bernoulli’s Theorem, Law of Continuity, dan Momentu Momentum m Effects Effects (Reynold (Reynold’s ’s Number Number). ).
Gating Systems (Sand or gravity)
Cetakan Ceta kan Pas Pasir ir
Tujuan Tuju an ut utam ama a pe pemb mbua uata tan n ga gati ting ng systems : 1.
Logam cair dapat masuk ke cetakan melalui gating systems tanpa turbulensi dan penyerapan gas-gas yang minimum.
2.
Logam cair dapat mengisi penuh rongga cetakan dalam waktu yang sesingkat-singkatnya.
3.
Mencegah/meminimalisasii premature solidification Mencegah/meminimalisas solidification
4.
Mengatur kecepatan alir logam cair yang akan masuk ke mold cavity
5.
Logam cair dapat masuk ke dalam cetakan dengan gradient temperatur yang tercipta di mold surface dan di dalam logam cair yang selanjutnya akan menghasilkan directional solidification menuju riser.
Pouring Basin
Pouring basin ialah semacam corong yang ditempatkan di atas sprue pada bagian cope. Design yang baik dari pouring basin akan mengatur laju masuknya logam cair ke dalam sprue , menghasilkan aliran logam cair yang lembut di dalam sprue dan mencegah turbulensi. Pouring basin harus diletakkan dekat dengan tepi flask agar cetakan bisa terisi penuh dengan cepat dengan menjaga mould tetap terisi penuh dengan logam cair selama proses pouring berlangsung.
Bernoulli’s Theorem
Sprue Design dari sprue sangat krusial untuk mencegah inisiasi aliran turbulent dalam gating systems. Aliran turbulent menyebabkan peningkatan daerah yang terekspos terhadap udara luar yang selanjutnya akan meningkatkan proses oksidasi logam cair dan menyebabkan erosi pada cetakan pasir.
Bernoulli’s Theorem : at any point of full system, the sum of the potential energy, pressure energy, energy, kinetic kinetic energy and and frictional energy of flowing liquid metal equal to a constant. wZ + wP wPv + wV wV 2/2g + 2F = C W= berat logam cair cair (pound), Z = tinggi logam cair (inch), P = tekanan static logam cair (pound/inch2), v = volume spesifik logam cair (inch3 /pound), V = kecepatan kecepatan (inch/s), (inch/s), F = energi gesekan per satuan berat Reynold Number Jika NR < 2000, 2000, aliran bersifat laminar Jika 2000 < N R < 20000, 20000, terjadi mixing dan sedikit turbulensi Jika NR > 20000, 20000, aliran bersifat sangat turbulent
Sprue
GATE dan CHO CHOKE KE
Gate merupakan saluran terpend terpendek ek yang menghubungkan antara antara runner runner dan dan cetaka cetakan n Choke digunaka digunakan n untuk membat membatasi asi laju alira aliran n logam logam cair cair
[a] Natural flow of a free falling liquid metal [b] Air aspiration induced induced by a liquid metal flow in a straight-sided sprue. [c] Liquid flow in a tapered sprue.
Choke (Strainer Core)
Choke : suatu penghalang (restriction) yang dipasang di dasar sprue / pada runner untuk mengontrol laju aliran logam cair sebelum masuk ke dalam mold cavity. Choke yang ditempatkan bersama straight-sided sprue. [a] choke core. [b] runner choke
Runner
Runner : suatu saluran yang membawa logam cair dari sprue menuju ingate(s) yang selanjutnya akan masuk ke dalam rongga cetakan. Perlu digunakan runner extension (blind ends) ⇒ logam cair yang pertama-tama masuk ke dalam gating system umumnya adalah yan g paling terkontaminasi / rusak karena kontak dengan dinding cetakan dan bereaksi dengan gas selama logam cair tersebut mengalir ⇒ momentum effect digunakan untuk membawa logam cair yang rusak itu melewati ingates dan menuju runner extension ⇒ logam cair yang lebih bersih masuk ke ingates menuju mold cavity ⇒ dihasilkan benda casting yang lebih baik.
Ingates
Ingates
Ingates
Multiple gating lebih disukai ⇒ menurunkan pouring temperature ⇒ meningkatkan kualitas struktur metalurgi dari benda casting dan akan mengurangi gradient temperature Dilakukan dengan cara menurunkan luas penampang runner setelah melewati suatu ingate Dengan menurunkan luas penampang runner secara bertahap disepanjang panjang runner → kecepatan dan tekanan logam cair di kedua ingates bisa disamakan.
Riser
Ingates ialah jalan / saluran yang menghubungkan antara runner dan rongga cetakan Ingate harus dibuat menuju daerah yang tebal dari benda casting. Gates berbentuk persegi panjang adalah yang paling sering digunakan. Sangat disarankan untuk membentuk fillet dan flare gates antara benda casting dan ingates. Lokasi ingates harus dibuat sedemikian rupa ⇒ meminimalisasi agitasi dan mencegah erosi cetakan ⇒ mengorientasikan ingates pada arah natural dari logam cair.
Riser adalah reservoir logam cair yang dihubungkan ke benda casting to menyediakan/mensupply logam cair tambahan yang dibutuhkan oleh benda casting selama proses solidifikasi. Shrinkage yang terjadi selama solidifikasi menyebabkan terjadinya voids kecuali ada sejumlah logam cair tambahan yang diumpnkan (fed) ke tempat-tempat yang berpotensial munculnya shrinkage. Riser didesign untuk membeku paling akhir dan menarik shrinkage voids keluar dari benda casting. Riser juga berfungsi sebagai pintu keluar bagi gas-gas dan dross yang terperangkap di dalam logam cair.
Riser
Dipengaruhi oleh jenis alloy dan mode pembekuan, jenis medium cetakan dan design casting. Mold dan metal variable juga berpengaruh terhadap jalannya progressive dan directional solidification (lihat slide berikut) Directional and progressive solidification in a casting equipped with a riser.
Feeding Distance Riser Feeding Distance
Relationship in Steel Plate
Section width greater than 3T, where T = thickness
Ialah jarak yang bisa dicapai riser untuk mengkompensasi shrinkage dari benda casting. Dirumuskan sebagai berikut : nR = L (mm) / [dR(mm) + fD x D(mm)] dimana : nR = jumlah Riser L = daerah jangkauan casting yang harus diumpankan dR = Diamater Riser fD = Feeding Distance Factor D = Tebal tuangan paling tipis
Chill Effect of chills in increasing feeding range of risers
In [d], a chill is applied to the isolated section to reduce its solidification time below of that the connection. In [e]. The solidification time of the connection is extended by applying an insulating or exothermic pad to the casting walls.
Procedure for determining a minimum riser size using shape factor method
Riser Configuration and Th eir Characteristic Values (M, Vr , D, H)
Ceramic Filter In Gating Design Perhitungan Ingate Gating Sistem
I A =
22 , 6×W ρ ×t × f ×
hm
IA = Ingate area (Luas ingate) W = berat total (Al + riser + gating system) = massa jenis Al (2,7 gr/cm3) Ρ t = waktu tuang (detik) f = kecepatan (0,3) (hm)1/2 = tekanan metallostatic
Catatan : M(riser) : M(gating system) = 20% : 10% (dari massa Al produk) Perbandingan IA : Runner : Sprue 1 : 4 : 4 (pressurize) hm = metallostatic pressure height, yaitu tekanan yang diakibatkan dari ketinggian suatu material fliuida.
Tipe Gating System 1. The pressurized gating system AG
VS where V : the velocity of fluid 2. The unpressurized gating system ASVG Most metals generally have unpressurized gating systems.
Digunakan untuk meningkatkan kebersihan benda casting dan menurunkan biaya produksi / manufaktur. Menghilangkan slag, dross dan partikel non-metallic dari aliran logam sebelum masuk ke dalam mold cavity. Umumnya casting alloy mengandung partikel2 yang bisa merusak physical properties dan appearance. (dari kiri-kanan : strainer core, extruded ceramic filter, ceramic foam filter, mica screen dan woven fabric screen)
Tipe Gating System
Perbedaan terletak pada penempatan posisi choke (flow-controlling restriction) dalam gating system. Pressurize gating system → choke terletak diantara runner dan gate Ratio luas permukaan sprue : runner : gates ialah 1:2:2, 1:2:4 dan 1:4:4. Unpressurize gating system → choke terletak diantara sprue dan runner Ratio luas permukaan sprue : runner : gates ialah 4:8:3
Pressurize Gating System
Unpressurized Gating System
Keuntungan :
Keuntungan :
1. 2. 3.
4.
↓ ukuran dan berat benda casting ⇒ ↑ mold yield. Gating system selalu terisi penuh oleh logam cair Ketika memakai multiple gates, laju aliran logam cair di tiap gate (dengan luas permukaan gates yang sama) ialah sama. Jumlah logam cair yang tersisa di dalam gating system ↓ ⇒ casting yield ↑.
Kerugian: 1. 2.
Turbulensi sering terjadi pada junctions dan corners Kecepatan logam cair ↑ saat masuk ke mold cavity ⇒ umumnya diikuti oleh gas entrapment, dross formation dan mold erosion.
1.
2.
↓ kecepatan logam cair di dalam gating system saat memasuki mold cavity ⇒ aliran laminar ⇒ ↓ gas
entrapment, dross formation dan mold erosion. Luas permukaan runner dan ingate ↑ ⇒ kecepatan alir logam cair ↓ ⇒ ↓ turbulensi dalam gating system dan semburan logam cair ke dalam mold cavity.
Kerugian : 1. 2. 3.
Luas permukaan runner dan ingates ↑ ⇒ ↓ casting yield. Sulit memperoleh kecepatan alir logam cair yang sama di dalam tiap ingate jika menggunakan multiple gates Persyaratan design yang lebih ketat dan teliti diperlukan untuk menjamin seluruh sistem tetap terisi logam cair selama proses pouring.
Perbandingan dengan proses casting yang lain
HPDC
High Pressure Die casting (HPDC) adalah suatu proses casting dimana dilakukan injeksi/filling logam cair dengan tekanan yang tinggi Pengunaan tekanan tinggi berpengaruh terhadap beberapa faktor, antara lain :
Desain produk
Cacat-cacat yang terjadi
Produk Umum proses Die Casting
Die casting “shot”
Overflows
Runner
Sprue
Overflow
Salah satu perbedaan dari suatu proses Die Casting adalah adanya over flow.
Siklus pada HPDC Cold Chamber
Over flow berguna sebagai penampung logam yang melalui cavity Adanya vent memungkinkan untuk udara keluar dari dalam dies Penempatan over flow secara strategis dapat memberikan heat/panas pada bagian dies yang dingin Berguna untuk mengeluarkan logam dari cetakan
Konfigurasi Optimal
Cavity terisi secara sempurna oleh logam
Pembekuan cepat tanpa adanya cacat
Keluar dengan mudah dari cetakan
Metal Flow pada Casting Cavity
Gate Position pada Produk
Gating Position
Filling Pattern
Approach 1
Approach 2
Filling Pattern
Filling Pattern
Faktor-Faktor Berpengaruh Pada Defects
Fill time
Flow distance
Wall thickness
Gate velocity
Die temperature
Alloy temperatu re
Profil Temperatur Dies
Alloy type Venting
Die Temperature
Air Trapped (Udara Terperangkap) high speed
Penambahan overflow dapat mengurangi cold flow Faktor yang mempengaruhi :
Long spray dapat berakibat over cooling dan berakibat pada porositas
Water atau oil flow
Cycle time
Internal Defects: Porosity-Trapped Gas Untuk memecahkan masalah porositas, lihat kembali ke sumber penyebab hadirnya gas antara lain : Udara yang terperangkap (trapped air)
small porosity
Lubrikan memiliki kandungan 99% air, jika wettingnya baik, 50% panas die dapat dihilangkan.
fill before solidification
high pressure
Die spray
air entrapment
Akan selalu ada, mengingat turbulensi pada saat proses filling Turbulensi dapat dikurangi degan penanganan dan transportasi yang baik dari furnace ke sleeve Mengatur slow speed pada sleeve Optimalisasi waktu plunger Percepat laju plunger setelah melewati pour hole Setelah sleeve terisi, diteruskan dengan akselerasi yang baik menuju fast speed shot
pressure
Air Trap pada Shot Sleeve
Shot Proses
Shot Sleeve
Pada bagian shot proses die casting terbagi menjadi tiga fase yaitu:
• Fase I bertujuan untuk membawa logam cair ke posisi gate dan mengeluarkan udara/gas dalam sleeve. Parameter yang mempengaruhi adalah slow slot velocity.
Berpengaruh terhadap terperangkapnya udara (porosity) Filling harus sekurangnya 50% dari kapasitas chamber untuk meminimalisasi udara yang terperangkap
• Fase II bertujuan untuk mengisi cavity dan overflow serta membawa udara/gas dan kotoran ke overflow. Parameter yang mempengaruhi adalah fast shot velocity. • Fase III disebut juga fasa intensifikasi dimana pada fase dimulai saat cavity filling time selesai atau setelah shot end, yaitu saat plunger tip berhenti. Fase ini bertujuan untuk memampatkan produk casting. Parameter yang berpengaruh adalah metal pressure dan intensification time.
Pada aluminum casting, sleeve fill 25 – 30% ideal untuk benda dengan dinding tipis dan waktu filling yang lama. 25% filling minimum untuk menghindari terjadinya porositas Sleeve fill 55 - 65 % biasanya untuk benda casting yang cukup besar.
Filling Ratio
Casting Desain
Things to consider
Casting Process
Fluid Flow
Solidification
Geometry or Shape
Fluid Flow
The hydraulic factors that affect the flow of molten metals are:
Bernoulli’s Theorem
Law of C ontinuity
Momentum Effects
Frictional Forces
Reynolds’ Number
Binder Effect
Inclusion Effect
Solidification
To get the solidification process started, the liquid phase must be undercooled , cooled to a temperature below th e freezing point. Once a nucleus forms, it can proceed to grow as fast as the latent h eat of solidification and specific heat can be carried away. Controlled by:
Solidification Analysis
Heat Transfer
Solidification Time
Chvorinov rule
Feeding Distance
Feeder effect
End effect
Temperature Gradient
Niyama criterion
thermal conductivities relative masses shapes of the melt, the solid, and mold
Key phenomenon in solidification is transfer of heat through :
Radiation
Direct contact with mold
Conduction through air
Convection in the air gap between mold and metal
Temperature profile Mould Interface
Air Gap (Mould Contact)
Heat Transfer
Cooling Curves
Steady state
Q = κ A
∆T
Q = the heat flow rate (W) κ = the thermal conductivity (W m-1 K-1) A = the cross section area x = the distance between the two ends ∆T = the difference in temperature between the two ends • Changing with time
Chvorinov's Rule V TST = C m A
n
What Chvorinov's Rule Tells Us
TST = total solidification time; V = volume of the casting; A = surface area of casting; n = exponent usually taken to have a value = 2; C m is mold constant
Control of Solidification
Inoculation or Grain Refining Practice - introduction of nuclei to encourage rapid solidification (reduce and minimize undercooling) Directional Solidification - control the growth rate and temperature gradient to manipulate growth interface.
Use of chills in castings produce finer grain structure Specialized solidification techniques to create single crystals castings
A casting with a higher volu me-to-surface area ratio cools and solidifies more slowly than one with a lower ratio
To feed molten metal to main cavity, TST for riser must greater than TST for main casting
Since riser and casting mold constants will be equal, design the riser to have a larger volume-to-area ratio so that the main casting solidifies first
This minimizes the effects of shrinkage
Shrinkage
Shrinkage Pipe
Shrinkage Porosity
Shrinkage Remediation Use Clean Melting Metal
Inclusion can be the initiator of gas Inclusion could cause non directional solidification
Uniform solidification in thin and thick section Use chiller for directional solidification Use riser effectively
Shrinkage Allowance
Patternmakers account for solidification shrinkage and thermal contraction by making mold cavity oversized
Amount by which mold is made larger relative to final casting size is called pattern shrinkage allowance
Casting dimensions are expressed linearly, so allowances are applied accordingly
Directional Solidification
To minimize damaging effects of shrinkage, it is desirable for regions of the casting most distant from the liquid metal supply to freeze first and for solidification to progress from these remote regions toward the riser(s)
Achieving Directional Solidification
Thus, molten metal is continually available from risers to prevent shrinkage voids The term directional solidification describes this aspect of freezing and methods by which it is controlled
Poor Directional Solidification
Desired directional solidification is achieved using Chvorinov's Rule to design the casting itself, its orientation in the mold, and the riser system that feeds it Locate sections of the casting with lower V / A ratios away from riser, so freezing occurs first in these regions, and the liquid metal supply for the rest of the casting remains open Chills - internal or external heat sinks that cause rapid freezing in certain regions of the casting
Cacat yang umum pada Wheel
Fishbone Cacat Porositas dan Shrinkage
Variable Process untuk Die Casting
Dies/ Cetakan
PROCESS VARIABLE METAL ANALYSIS
All
METAL TEMPERATURE
All
DIE FACE TEMPERATURE
Cold shuts, soldering, cracks, dimensions
DIE SPRAY - Dilution quantity, and spray pattern DIE FILLING CONDITIONS - Cavity Fill time - Gate velocity during fill
Material
RELATED DEFECTS
Porosity, blisters, soldering
Kecepatan Tuang Desain, Pelumas
Pengotor Ratio Ingot:Scrap
Temp, Coating Cacat shrinkage dan porositas Modifier
Pelatihan Fluxing Grain Refiner
Cold shuts, dimensions Porosity, blisters, soldering, erosion
- Temperatur Melting/ Holding - Degassing (Ar/N bubbling)
Man Metode/Metal Treatment
Casting Simulation Software
Pendahuluan
Konsep Desain Casting
Simulasi casting pada dasarnya terbagi atas beberapa konsep perhitungan model yaitu :
Perhitungan aliran/flow
Perhitungan free surface
Digunakan untuk melihat fenomena aliran logam dalam mengisi casting cavity dengan memperhatikan faktor – faktor antara lain kecepatan alir, berat jenis material. Navier-Stokes equation Metode Sola Digunakan untuk melihat kondisi surface boundary dan prediksi pergerakan aliran Metode VOF
Perhitungan transfer panas
Digunakan untuk melihat fenomena pada saat pembekuan (solidification)
Penggunaan simulasi komputer sebagai alat bantu dalam simulasi casting dimulai pada tahun 80an Pada dasarnya perhitungan berdasarkan pada computasi FEM, FDM atau FVM Familiar brand casting simulation seperti Magmasoft, ProCAST, Stefan, SolidCast
Casting Modelling Approach
Langkah Dalam pengembangan suatu Produk casting
Desain awal produk Assesmen kelayakan casting produk Assesmen quality yang dibutuhkan Membuat desain riser dan gating sistem Pembuatan pattern/pola Ujicoba casting Proposal perubahan untuk castability yang lebih baik Perubahan desain produk, riser dan gating sistem Test Casting Proses produksi Inspeksi akhir Inspeksi oleh pihak costumer
Casting simulation
Casting simulation (Magmasoft)
Example Casting Simulation (ProCast)
Prediksi porositas
Hasil test X-Ray
Flowchart Casting Simulation Z cast
SHTH Cast
3D Model
Pre Prosessing
Mesh Generation
Parameter setting - Material selection - Mold
Ingate Parameter -position
Solver
Flow
Solidification
Post Processing
•Buat Model 3D produk dengan mengunakan drawing software seperti Solidwork, Catia, Autocad •Tambahkan gating sistem dan riser (dengan metode yg samaseperti diatas) •Simpan file sebagai stereolithography file (STL)
Model
Material : AC4CH Pouring temperature : 700 C Total mesh : 1,4 million (175x125x65) Gating ratio 1:1:2 Choke diameter : 30 mm Pouring time : 15 sec Casting weight : 127 kg Casting yield (final simulation): 65%
Case 1
Blind riser
Dimension : Height: 400 mm Length: 1310 mm Width :1030 mm
Posisi shrinkage tanpa riser
Chill
Flow
10% filling rate
20% filling rate
40% filling rate
60% filling rate
Solidification time
Shrinkage
Shrinkage muncul pada daerah rib dan daerah dekat dengan in gate
Case 2 (change riser position)
Memindahkan posisi riser (lingkaran hitam) dan mengurangi ketebalan pada ingate (lingkaran merah)
Flow
(animation)
10% filling rate
20% filling rate
40% filling rate
60% filling rate
Solidification time
Thin section, higher cooling rate
Contoh Parameter Pada Mesin HPDC
shrinkage
Ds
SH
DB
4 % solid rate
Final solidification (89%)
Kemungkinan shringkage tetap muncul akan tetapi jumlahnya sudah berkurang. Posisi dari shringkage beradapada daerah yang cukup tipis, dan sudah terlihat dari tahap awal pembekuaan.
DP
DH
Sleeve stroke (DS) Sleeve diameter (AS) Distance low speed (DL) Low speed (SL) Dis tance high s peed (D H) High speed (SH) Total travel distance Biscuit thickness (DB)
SL
s A
DL
: 940 mm : 110 mm : 720 mm : 0,22 m/s : 190 mm : 2,5 m/s : 910 mm : 30 mm
plunger
Filling ratio
Low Pressure DC
Casting parameter
Material : ADC 12 Material Dies : SKD 61 Temperatur pouring Temperatur dies
: 635oC : 220oC
Input Parameter Cooling Channel
Before Before Air Water cooling (Sprue, Sprue, hub)
Hot spot
Cavity
Mold(skd61) Sprue bush (SCM440)
Cooling Channel
Air cooling (Spoke, hub)
defect
Improvement Improvement
Air Direction of Solidification
Chill & Ceramic Wool
Final Desain
TC10 TC9
TC8 TC7 TC5 TC6
TC1 TC3 1 TC1 TC2 TC4 TC12
Thermo -Couples
Temperature Profile Temperature Cycle
