SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING

SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING PARA LA PREDICCIÓN DE DEFECTOS Y AUMENTOS DE EFICIENCIAS DE MOLDEO

ANDRÉS FELIPE DUQUE MESA

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍAS MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN NUEVOS MATERIALES MEDELLÍN 2010

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SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING PARA LA PREDICCIÓN DE DEFECTOS Y AUMENTOS DE EFICIENCIAS DE MOLDEO

ANDRÉS FELIPE DUQUE

Trabajo de grado para optar al título de Magíster en Ingeniería énfasis en Nuevos Materiales

Director HADER VLADIMIR MARTÍNEZ Doctor en Energía y Termodinámica

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍAS MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN NUEVOS MATERIALES MEDELLÍN 2010

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Nota de aceptación

Firma Nombre: Presidente del jurado

Firma Nombre: Jurado

Firma Nombre: Jurado

Medellín, Abril de 2010

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“No olvides que un sueño sin acción es una ilusión” Daisuku Ikeda

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AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a: El Doctor Hader Vladimir Martínez, Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Pontificia Bolivariana, por sus acertados consejos y enseñanzas durante el tiempo de trabajo. Marco Fidel Valencia, Investigador de la Escuela de Ingeniería de Antioquia, por estar siempre dispuesto a solucionar cualquier duda de un compañero de trabajo. Patricia Fernández, Investigadora del GINUMA Universidad Bolivariana, por su apoyo técnico e incondicional compañerismo.

Pontificia

Mis socios Laura y Alejo por su paciencia y ayuda en todo momento. COLCIENCIAS el financiamiento del proyecto CIDI-854-02/06-18, del cual hizo parte este trabajo. Igualmente a la Universidad Pontificia Bolivariana por el financiamiento para la divulgación de resultados del mismo. El más grande agradecimiento A mi familia!

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CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN

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OBJETIVOS OBJETIVOS GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS

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1. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE 1.1 PROCESO LOST FOAM CASTING O FUNDICIÓN A LA ESPUMA PERDIDA (LFC) 1.1.1 Descripción del proceso 1.1.2 Generalidades y Beneficios LFC 1.1.3 Beneficios del proceso LFC 1.1.4 Requerimientos Producción de piezas por LFC 1.1.5 Variables del proceso LFC 1.2 DEFECTOLOGÍA Y CONDICIONES A MEJORAR CON LA SIMULACIÓN

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2. FUNDAMENTOS Y BASES TEÓRICAS DE LA SIMULACIÓN CON CFD 2.1.1 FLow 3D 2.1.2 CastCae 2.1.3 PAM-quik cast 2.2 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA PARA LA SIMULACIÓN 2.2.1 Generalidades de los Modelos matemáticos usados en CFD 2.2.2 Ecuaciones Gobernantes en Flow 3D 2.2.3 Métodos para las aproximaciones numéricas 2.2.3.1 Método de las diferencias finitas y los volúmenes finitos 2.2.4 Métodos usados por Flow 3D

40 44 46 47 48 48 53 60 61 63

3. DESCRIPCIÓN METODOLOGÍA DE SIMULACIÓN CON FLOW 3D 3.1 ESTUDIO PREVIO DEL PROCESO DE FUNDICIÓN 3.1.1 Materias primas 3.1.2 Fusión, vaciado y solidificación 3.2 METODOLOGÍA PROPUESTA PARA EL DESARROLLO DE LA SIMULACIÓN 3.3 VARIABLES ESTABLECIDAS PARA LA PARAMETRIZACIÓN DEL SOFTWARE 3.4 PROCEDIMIENTO DE AJUSTE Y PUESTA A PUNTO DE LA SIMULACIÓN 3.4.1 Ajuste Global 3.4.2 Modelos Físico 3.4.3 Fluido 3.4.4 Mallado 3.4.5 Condiciones de frontera

76 76 76 80

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81 82 83 84 84 88 89 91

3.4.6 Condiciones Iníciales 3.4.7 Resultados requeridos 3.4.8 Método Numérico 3.4.9 Simulación

92 92 93 93

4. ANÁLISIS MEDIANTE SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC 4.1 PIEZAS DE ESTUDIO 4.2 SISTEMAS ANALIZADOS 4.3 RESULTADOS SIMULACIÓN 4.3.1 LFC1 4.3.2 Pieza LFC2 4.3.3 Estudio de piezas LFC3 y LFC4

95 95 98 98 99 105 109

5. EXPERIMENTACIÓN EN PLANTA Y PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN 114 5.1 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN DE VACIADO DEL METAL EN PIEZAS TIPO LFC1 114 5.2 CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS Y CONTROLES SOBRE LAS PIEZAS METÁLICAS 116 6. IMPLEMENTACIÓN DE LOS RESULTADOS ARROJADOS POR LA SIMULACIÓN DENTRO DEL PROCESO PRODUCTIVO EN LA PLANTA DE LFC Y RECOMENDACIONES PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO BASADAS EN LA SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC 126 6.1 CAMBIOS EN EL SISTEMA DE MOLDEO 126 6.2 RRECUBRIMIENTO REFRACTARIO 130 6.2.1 Análisis de información de pintura refractaria importada y estudio de componentes de la pintura refractaria existente 130 6.2.2 Estudio de propiedades de la pintura refractaria existente 132 6.2.3 Formulación preliminar y ensayos del recubrimiento formulado 136 6.3 CAMBIOS EN LA CONFIGURACIÓN PRODUCTIVA DEL PROCESO LFC 139 7. CONCLUSIONES

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8. SOCIALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS

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BIBLIOGRAFÍA

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LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Ensamble de árbol de modelos en PS 24 Figura 2. Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. Recubrimiento de modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno de convección forzada de los modelos de espuma 24 Figura 3. Preparación del recipiente metálico y apisonado de la arena en el proceso LFC 25 Figura 4. Simulación del proceso de fundición mediante con el programa FLOW 3D 45 Figura 5. Imagen obtenida para la simulación del proceso de fundición con FLOW3D 46 Figura 6. Simulación es CastCae 47 Figura 7. Simulación de la solidificación de un bloque de motor con el programa PAM-QUIKCAST 47 Figura 8. Ilustración del proceso de degradación de la espuma en el proceso LFC 49 Figura 9. Ilustración sobre el fenómeno termodinámico en el proceso LFC 52 Figura 10. Mallas en Flow 3D. a. malla en coordenadas rectangulares y b. malla en coordenadas cilíndricas 53 Figura 11. Ejemplo Energía vs. Temperatura que muestra el cambio de fase 58 Figura 12. Ilustración de la celda y el volumen de control de diferencias finitas 61 Figura 13. Ilustración método VOF 62 Figura 14. Representación de la geometría de elementos en una malla por la herramienta FAVOR 65 Figura 15. Mapa de distribución de defectos en una pieza procesado por inyección de aluminio HPDC 70 Figura 16. Carcasa de la cubierta del motor del avión A380 analizada con el modelo de aire atrapado 74 Figura 17. Variación de la conductividad térmica con la temperatura a Sílice con contenido de aglutinantes b. 4 tipos de arena comercial con contenidos de aglutinante 78 Figura 18. Modulo de ajuste global en Flow 3D 84 Figura 19. Modulo de ajuste de los modelos físicos disponibles 85 Figura 20. Modulo parametrización de la opción de identificación de defectos 85 Figura 21. Modulo parametrización de la opción de transferencia de calor 86 Figura 22. Modulo parametrización de la opción de solidificación 87 Figura 23. Modulo parametrización de la opción de viscosidad y turbulencia 88 Figura 24. Modulo parametrización del fluido 89

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Figura 25. Árbol de hidrantes configurado de tres formas diferentes: a. Un hidrante por árbol, b. Dos hidrantes por árbol, c. tres hidrantes por árbol, d. 4 hidrantes por árbol, e. Collar de derivación y f. árbol de collares, pueden ser vistas las diferentes secciones de EPS dentro del modelo 90 Figura 26. Método FAVOR para modelo de 4 hidrantes por modelo: a. Sólido creado digitalmente por la definición de malla en Flow-3D y (b) Modelo de espuma real 91 Figura 27. Diseño de fronteras del sistema 91 Figura 28. Modulo para el ajuste de las condiciones iníciales en Flow 3D 92 Figura 29. Modulo para el análisis de la estabilidad en Flow 3D 94 Figura 30. Detalle del hidrante Mega 6 producido por Cobral Ltda 96 Figura 31. Geometrías Collares de derivación de fluido. a. Tipos mariposa y b. Tipo barril 97 Figura 32. Distribución de temperatura durante el procesamiento de hidrantes por LFC 100 Figura 33. Simulación del llenado para el modelo de 2 hidrantes 100 Figura 34. Simulación y producción de hidrantes con modelos de 3 piezas. a. simulación numérica, b. ensayo en planta y c. detalle de porosidad generada en la salida de agua principal del hidrante 101 Figura 35. Comparativo simulación vs. producción de 4 hidrantes por LFC: a. Concentración de defectos en la superficie del modelo (Flow-3D) y (b) Defecto de carbono brillante encontrado en la pieza fundida 102 Figura 36. Comparativo simulación vs. producción de hidrantes por LFC: (a). Pérdida de la continuidad en el flujo de metal por excesiva presión durante el llenado, (b) Presión excesiva durante la simulación en Flow-3D del modelo de 4 hidrantes y (c) Barril formado durante el vaciado en la producción de hidrantes 103 Figura 37. Tiempo de solidificación para el modelo de 4 hidrantes 104 Figura 38. Análisis mediante Flow 3D de el modelo de collares de derivación propuesto por Cobral ltda 105 Figura 39. Irregularidades del flujo de metal en el modelo de collares propuesto por Cobral ltda 106 Figura 40. Identificación de los diferentes frentes de metal en el modelo de collares 107 Figura 41. Análisis de concentración de defectos mediante Flow 3d en modelo de collares 107 Figura 42. Análisis del tiempo de residencia del metal en el molde para el modelo de collares 108 Figura 43. Configuración de los árboles de moldeo para discos y campanas de freno 109 Figura 44. Distribución de temperatura durante el procesamiento de discos logan por LFC 110 Figura 45. Detalle de los estabilizadores de flujo de metal 110 Figura 46. Análisis de concentración de defectos en discos de freno 111 Figura 47. Ensayo de Rayos X sobre pieza tipo LFC3 112

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Figura 48. Tiempo de solidificación para el modelo de 12 piezas tipo LFC3 113 Figura 49. Ensayos de preproducción con modelos de espuma. a. Armado árboles, b. Recubrimiento refractario, c. Secado recubrimiento, d. Moldeo en arena y e. Fusión y desmoldeo 115 Figura 50. Micrografía óptica del hierro nodular producido por Cobral ltda 116 Figura 51. Estadística de composición por elemento para el hierro nodular en hidrantes y collares 117 Figura 52. Reportes mes a mes de las propiedades mecánicas encontradas en el hierro nodular utilizado en la producción de hidrantes y collares 118 Figura 53. Evaluación por SEM de la defectología. a. muestra de pieza enviada con defecto marcado, b. Imagen SEM (contraste topográfico) a 150x y c. Imagen SEM Backscatter Electron (contraste composicional) a 150x 119 Figura 54. EDS realizado sobre el área del metal analizada 120 Figura 55. EDS realizado sobre defecto presente en sección analizada 120 Figura 56. Secciones del hidrante para el ensayo de rayos X 122 Figura 57. Sistema de alimentación para la fabricación de piezas tipo LFC1 127 Figura 58. Rechazos en la producción de piezas por fundición tradicional en arena verde 128 Figura 59. Porcentaje de rechazos mes a mes para las piezas producidas por LFC en una planta de producción Colombiana 129 Figura 60. Modelo de 6 piezas por árbol para la producción 130 Figura 61. Ficha técnica de la pintura refractaria usada por Cobral Ltda 132 Figura 62. Ensayo sobre recubrimiento refractario formulado, a. Secado de la pintura refractaria FCI y Bach, b. arol finalizado y c. Ensamble con pintura FCI 139 Figura 63. Mejoras en la iluminación de la planta, a. antes de la reforma y b. luego de la reforma 140 Figura 64. Reorganización zona almacenamiento de espuma, a. Guacales ubicados en medio de la zona de moldeo antes de la remodelación y b. nuevo mezanine de almacenamiento de blancos 140 Figura 65. Defecto de carbono brillante. a. pieza con el defecto y b. pieza sin el defecto 141 Figura 66. Defecto de sinterización de arena en entradas de metal 142 Figura 67. Modificación del sistema de agitación del recubrimiento 142 Figura 68. Ficha para el control de granulometría en arenas 143 Figura 69. Masas vibratorias ubicadas en las volantes de las mesas vibratorias 144 Figura 70. Nuevo diseño del sistema de refrigeración de arenas 144

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LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Tolerancias estimadas en un proceso de fundición a la espuma perdida comparadas con tolerancias alcanzadas con otros procesos de fundición 28 Tabla 2. Resumen de las variables en el proceso LFC, divididas por etapas de proceso 35 Tabla 3. Defectos Característicos del proceso LFC 37 Tabla 4. Análisis del llenado y solidificación durante los procesos de transformación de metal mediante fundición 40 Tabla 5. Variables del proceso y requeridas para la simulación del proceso LFC 49 Tabla 6. Características de la Pintura Refractaria Polyshield P2350 77 Tabla 7. Datos Técnicos del Poliestireno Styropor CHF 416 79 Tabla 8. Niveles óptimos de densidad para el EPS según el tipo de material a fundir 80 Tabla 9. Mezcla de materias primas para 500 Kg. de hierro gris 80 Tabla 10. Parámetros y propiedades alimentados al software de simulación 83 Tabla 11. Resultados esperados de la simulación con Flow 3D 93 Tabla 12. Descripción de las eficiencias de moldeo y geometrías de los árboles objetivo de análisis 98 Tabla 13. Resumen de resultados ensayos de rayos x en piezas Tipo LFC1 124 Tabla 14. Modificaciones realizadas sobre los árboles de Cobral Ltda 126 Tabla 15. Condiciones ensayo de mojabilidad sobre pintura refractaria 133

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LISTA DE CUADROS Pág. Cuadro 1. Descripción del modelo de Aire atrapado de Flow 3D

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Cuadro 2. Metodología utilizada en la planta de fundición para la implementación de la técnica LFC: a. Simulación numérica, b. Modificación sobre árboles y modelos, c. Ensayo en planta, d. Caracterización de defectos y e. producción en línea e implementación de mejoras

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GLOSARIO

ADVECCIÓN: es variación de un escalar en un punto dado, por efecto de un campo vectorial. Por ejemplo: el transporte de una sustancia contaminante por la corriente de un río; en meteorología, el proceso de transporte de una propiedad atmosférica, como el calor o la humedad, por efecto del viento; en oceanografía, el transporte de ciertas propiedades, como la salinidad, por las corrientes marinas. Tales propiedades tienen una distribución espacial. AFS: Sociedad Americana de Fundición. AGENTE DE EXPANSIÓN: componente del los polímeros que permite que sean espumados mediante un proceso de expansión. El agente de expansión utilizado para espumar el PS (poliestireno) es el pentano. ÁRBOL: arreglo de modelos en EPS que contienen ensamblados el sistema de alimentación de metal y el vaciadero en cascarilla cerámica. BAJANTE: elemento por donde es vertido el metal fundido en el momento del vaciado del metal. CÁMARA DE MOLDEO: Cavidad del molde donde se genera el reblandecimiento y fusión de la perlas de PS , la cual tiene la forma de la pieza a producir. CANALES DE DISTRIBUCIÓN: son los encargados de distribuir el flujo de colada hacia cada uno de los modelos. CASCARILLA CERÁMICA: Material de fibras cerámicas con el cual es fabricado el bajante para los árboles. COLADA: metal fundido COMPACTACIÓN: proceso de aglomeración o densificación de la arena que rodea al modelo antes del vaciado del metal. Se realiza con ayuda de mesas vibratorias. CONSOLIDACIÓN: Fabricación, formación ENSAMBLAR: proceso de unión de las secciones de EPS para formar el modelo a fundir, es realizado con una pega especial para este material. EPS: Material termoplástico espumado, de origen hidrocarburo con el cual se fabrican las secciones del modelo a fundir.

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EPSI: es el criterio de convergencia usado para determinar en qué punto las interacciones de presión tienen convergencia. Este valor es calculado automáticamente por flow3D y debe ser menor al incremento en el paso de tiempo. ESTABILIZACIÓN DEL MODELO DE ESPUMA: proceso de contracción y expansión que sufre el modelo de espuma al salir de la cavidad del molde. EXPANSIÓN: Fenómeno presente en las perlas de poliestireno que son sometidas a procesos de calentamiento, se realiza la expansión del poliestireno para lograr la disminución de la densidad, con lo cual se obtiene el EPS. ENVEJECIMIENTO: Etapa del proceso LFC, necesaria para dar estabilidad dimensional al modelo de espuma FAVOR: es un método exclusivo de FLOW-3D que diagnostica la representación geométrica y permite eliminar las escalas o faltas de material que la malla genera al leer la geometría implementada para el problema. También consiste en la agrupación de una serie de algoritmos especiales para computar las áreas interfaciales, evaluar los esfuerzos en las paredes, aumentar la estabilidad numérica y computar la advección a lo largo de las fronteras solidas. FUNDICIÓN: nombre dado a las empresas que producen piezas mediante proceso de fusión de metal, también es utilizada esta palabra para referirse a las piezas fabricadas por este método FUSIÓN: derretir, fundir tanto el metal como cualquier material INTERACCIÓN METAL/RECUBRIMIENTO/ESPUMA: reacciones químicas y térmicas que ocurren durante el proceso de vaciado y solidificación. LFC: sigla en Ingles Fundición a la Espuma Perdida. Proceso de fundición que utiliza modelos de EPS (poliestireno expandido) para generar la cavidad de la pieza a fundir. MATRIZ: término que describe la cavidad o cavidades usadas para producir un modelo de espuma. MÁQUINA DE MOLDEO: equipo donde son fabricadas las secciones del modelo de espuma, la cual utiliza diferentes moldes para este fin. Es similar a una maquina de inyección de plástico pero con la diferencia de que el material es dosificado con la ayuda de aire a presión en vez de un tornillo de extrusión. MEDICIÓN GRANULOMÉTRICA: ensayos realizados sobre la arena y las perlas de PS, para determinar el tamaño de grano. MODELO: elemento de EPS fabricado por la máquina de moldeo.

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MODELO DE ESPUMA: Pieza de EPS que es destinada al ensamble del árbol de piezas en poliestireno expandido, que han sido moldeadas en forma exacta a la pieza que se desea reproducir en metal. MOLDEO: es el proceso que se lleva a cabo para producir los modelos de espuma a partir de las perlas de EPS preexpandidas. El moldeo de los modelos es realizado en una prensa hidráulica usando un molde de aluminio MOJABILIDAD: fenómeno fisco que se refiere a la dificulta que tienen los líquidos para mojar una superficie sólida. PARÁMETROS DE PROCESO: algunas variables que representan un grado de importancia significativo en el proceso. PENTANO: hidrocarburo incluido en la composición del PS que sirve como agente expansor durante la producción del EPS PERLAS: glóbulos pequeños de EPS que conforman la espuma. PERLAS CRUDAS: perlas de EPS sin expandir. PERLAS QUEMADAS: perlas en las cuales se excedieron los tiempos y/o temperaturas de prensado en la máquina de moldeo. PERLAS PREEXPANDIDAS: perlas que pasaron por un proceso previo de expansión antes de ser formadas en la prensa del moldeo. PERMEABILIDAD: una medida de la facilidad de transmisión de un gas a través de un medio particulado. PRE PROCESADOR: es una herramienta del software de simulación para evaluar la estabilidad de la malla y las condiciones iniciales basándose en la programación del archivo de entrada. Antes de correr la solución debe ser diagnosticado el problema mediante el preprocesador buscando irregularidades en las variables de entrada y en la representación geométrica del problema a analizar. PRESIÓN DE EXPANSIÓN: en la presión generada dentro del molde para poder generar el fenómeno de expansión. PRESIÓN HIDROSTÁTICA: es la presión generada por la distancia vertical entre la boca del vaciadero el punto más bajo del árbol. PRESIÓN DE LLENADO: es la presión de dosificación entregada por el compresor para que el molde de EPS que completamente lleno de perlas antes del prensado.

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PROPIEDADES DEL ÁRBOL: particulares necesarias en el ensamble del árbol de modelos entre la cuales están: diseño de los canales de alimentación, altura del vaciadero, numero de piezas por árbol, etc.. RECIPIENTE METÁLICO: contenedor donde es puesto el modelo antes de realizar la adición de arena. REVESTIMIENTO: aplicación de una película refractaria al modelo ensamblado por aspersión. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE METAL: Conjunto de vertederos y correderas que sirven para conducir el metal fundido hacia los modelos de espuma. TAMIZ: malla metálica que se usa para seleccionar el tipo de arena según su tamaño. Se utiliza en el ensayo de granulometría. VACIADERO: parte del árbol en la cual se vierte directamente el metal fundido en el momento del vaciado. VERTER: depositar el metal líquido en el molde para obtener la fundición.

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RESUMEN

El proceso Lost Foam Casting (LFC) tiene una serie de cualidades con las que otros procesos de fundición no cuentan como: Excelente acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales, logra espesores muy delgados, disminuye operaciones de mecanizado en las piezas terminadas, se logran geometrías muy complejas, entre otras. Además el proceso permite automatización en algunas etapas. No obstante, la gran cantidad de cualidades que pueda tener se ven opacadas por una serie de problemas que se presentan al introducir nuevas geometrías o piezas al moldeo, por tanto llegar a un punto óptimo de operación, donde se obtienen los porcentajes de rechazo mínimos para una nueva pieza, es difícil pues se incurren en errores de diseño y las variables de fundición se desconocen. Lo anterior se presenta debido a un sin número de defectos en las piezas fundidas provenientes de errores en el diseño de las piezas (canales de alimentación de colada estrechos, generación de puntos calientes, resistencia inadecuada, etc.), lo que obliga a practicar varias pruebas y ensayos para obtener un diseño óptimo que no presente complicaciones en las etapas de moldeo. En la actualidad Cobral Ltda. es la única empresa en Colombia que fabrica piezas por LFC, al iniciar el trabajo de investigación los defectos que se presentaban en las piezas fundidas se analizan en el laboratorio buscando su origen dentro del proceso, casi siempre al aparecer un nuevo defecto se debía comenzar con un seguimiento a todas las variables del proceso para poder detectar el origen del mismo. Además se practicaban pruebas de ensayo error cuando, al introducir una pieza, no se obtenía el punto óptimo de operación. Este método de ensayo era costoso, pues se generaban gastos de materia prima, tiempo perdido de los operarios, energía, etc. La técnica de LFC (Lost Foam Casting) posee hoy día gran interés a nivel industrial para la producción de piezas de geometría compleja y excelentes acabados, con tolerancias dimensionales muy precisas. Sin embargo, la puesta a punto de dicho proceso y su optimización son realizadas en muchos casos mediante ensayo – error como en Cobral, encontrando muy pocos casos en los cuales se hace uso de la modelización matemática para la predicción de defectos en piezas fundidas. En el trabajo que se muestra a continuación es reportada la simulación numérica mediante herramientas computacionales de diversos fenómenos térmicos que dan lugar a la defectología de partes fundidas por LFC. Para la misma, se han considerado mallas simples y de bloques múltiples, buscando la mayor precisión en los modelos. En particular, el calor transferido desde el metal hasta la espuma es usado para calcular el volumen de espuma que se degrada, la velocidad y el tiempo de llenado de los moldes. Finalmente, la simulación asociada del proceso de solidificación permitió encontrar los puntos de mayor contracción y concentración de defectos, lo cual facilitó la implementación y la optimización de parámetros de proceso para la fundición por LFC de hidrantes en Cobral Ltda.

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Del trabajo desarrollado se identifica como principal aporte al conocimiento la metodología desarrollada para facilitar la implementación de una nueva referencia en el proceso LFC, la cual disminuye el tiempo de ajuste, número de ensayos y nivel de defectos asociados al proceso que se presentan en la búsqueda de una eficiencia adecuada para una nueva pieza que se pretenda fabricar por LFC. Asimismo, la investigación presentó una innovación tecnológica alta, puesto que por primera vez en Colombia se implementaron técnicas CFD para la optimización y predicción de la calidad del proceso LFC Además, El impacto tecnológico repercutió positivamente en la comunidad empresarial debido a que la información extraída de los resultados de la simulación permitió intervenir el proceso productivo de Cobral Ltda., modificando los sistemas de alimentación de metal, ubicación de las piezas y eficiencias de moldeo y de fundición. Igualmente se realizaron estudios sobre el recubrimiento refractario para lograr que el mismo mantuviera una permeabilidad adecuada para la producción de Hidrantes y collares de derivación. Durante el desarrollo del presente trabajo fueron realizadas varias publicaciones con el objetivo de dar a conocer los conocimientos adquiridos en el tema de modelación numérica de procesos de fundición, además, con el fin de exponer a la comunidad académica los adelantos y posibles mejoras que pueden ser tenidas en cuenta para el proceso LFC.

PALABRAS CLAVES: Lost Foam Casting, simulación numérica, defectología fundición, fundición a la espuma perdida, Flow 3D.

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INTRODUCCIÓN

Con el pasar del tiempo y el incremento de herramientas computacionales, se ha facilitado la posibilidad de simular los procesos de fundición de metales. Esta brecha científica, tuvo su origen en los años cuarenta con la modelación de la transferencia de calor en modelos de fundición. La aplicación principal, durante esta época, fue la obtención de isotermas en el momento del vaciado del metal, accediendo así la predicción de puntos calientes en los moldes de fundición. Sarjant y Slack, calcularon posteriormente la distribución interna de temperatura en lingotes de acero, usando métodos numéricos para modelar el flujo de calor por conducción. Ya en los 60’s, la primera aplicación utilizando computadoras digitales fue realizada por Fursund en Dinamarca, encontrando que la difusión de calor, en el proceso de fundición en arena, afectaba el acabado superficial del acero fundido. La dinámica de fluidos computacional (CFD) es un método para simular un proceso de flujo de metal en el cual las ecuaciones de flujo de fluidos como la de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad son discretizadas y resueltas para cada elemento de una malla computacional, que es creada para dividir el volumen de control en pequeñas secciones. El uso de Software CFD es algo similar a realizar experimentación en laboratorio. Si la prueba de laboratorio no se ajusta correctamente para simular una situación de la vida real, los resultados no reflejarán la realidad del fenómeno. De la misma manera, si el modelo numérico no es ajustado de la manera correcta, los resultados no reflejará el fenómeno acorde a la realidad. En tal caso el ingeniero que analiza proceso con la ayuda de CFD debe decidir qué cosas son importantes y cómo deben ser representadas. Algunas preguntas que se plantearon para el planteamiento y solución de la simulación de la técnica LFC fueron: • • • • • • •

¿Qué quiero aprender del cálculo? ¿Cuál es la escala y cómo debe ser diseñada la malla para capturar los fenómenos importantes? ¿Qué tipo de condiciones de frontera son las adecuadas para representan el fenómeno real? ¿Cuáles propiedades del fluido son importantes y deben ser usadas para la simulación? ¿Cuáles fenómenos físicos son importantes en la simulación (transferencia de calor y de masa, la presión, la temperatura)? ¿Cuál es el estado inicial del fluido y de la atmósfera circundante? ¿Cuál sistema de unidades debe ser utilizado?

De otro lado, el proceso de Fundición a la Espuma Perdida (FEP) o Lost foam Casting (LFC) ha sido utilizado en los últimos años para la fabricación de un sin número de partes de diferentes complejidades y requerimientos, incluyendo piezas automotrices, aeronáuticas y de transporte de fluidos, para las cuales se requiere alta calidad y desempeño, y por lo tanto, con cero rechazos durante su 19

manufactura. Es así como para dicha tecnología de fundición, se han venido desarrollando igualmente diferentes herramientas de simulación, que permitan predecir defectos e irregularidades durante el llenado y la solidificación de piezas. En el proceso LFC se utiliza espuma de poliestireno (EPS) con la forma de la pieza a producir, a la cual se adicionan solidariamente un sistema de alimentación y bajante. Este modelo en conjunto, es recubierto con pintura refractaria y luego colocado en un recipiente metálico donde se cubre con arena. Posteriormente, el modelo de espuma es fundido y degradado químicamente al contacto con el metal líquido. Durante mucho tiempo, las mejoras en la calidad de productos fabricados por LFC, se han fundamentado en conocimientos empíricos, obtenidos con metodologías de ensayo error dentro de las empresas productoras. La modelación numérica del proceso LFC es por lo tanto una metodología reciente, que se basa en los fenómenos de descomposición y degradación del modelo de espuma1. La problemática de mayor impacto identificada para el proceso LFC se establece en la dificultad de introducir una nueva referencia sin que se presenten defectos de calidad, debidos en gran medida a diseños de sistemas de alimentación de baja eficiencia y parámetros de proceso mal seleccionados. Para el caso que fue de interés en esta investigación, se realizaron una serie de simulaciones del proceso LFC con técnicas de simulación CFD (computational Fluid Dynamics), en las cuales se utilizó el método VOF Freesurface Tracking Method de Hirt 2 3. Se ilustra el estudio de las zonas de concentración de defectos y los problemas debidos al llenado y solidificación de moldes para la producción de autopartes y accesorios para el transporte de fluidos (Hidrantes y collares) en la empresa colombiana Cobral Ltda. Uno de los aspectos fundamentales que se contemplaron para el desarrollo del presente trabajo fue el seguimiento de una metodología de trabajo diseñada, la cual genero un conocimiento que permitió mejorar la calidad de los productos manufacturados a nivel nacional por la técnica LFC. En tal sentido el trabajo desarrollado muestra como los productos denominados de base tecnológica, poseen un fuerte soporte desde el conocimiento de los fenómenos asociados a su producción, manufactura y síntesis. El uso se herramientas de simulación de procesos, sumado a técnicas de caracterización especializadas son la base de los excelente resultados que se 1

MARTÍNEZ, H. V ; FERNÁNDEZ, G.P. CRUZ, L.J. y DUQUE, A.F. Desarrollo de hidrantes y collares en hierro nodular, mediante la técnica de fundición a la espuma perdida. En: Reporte proyecto. Programa Nacional de Desarrollo Tecnológico, Industrial y calidad de Colciencias, Medellín: Colciencias, 2007. 2 HIRT, C.W. y BARKHUDAROV, M.R. Casting Simulation Mol Filling and Solidification Benchmark Calculation Using Flow-3D. En: Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes; p. 935-946 3 FLOW SCIENCE INC. Flow-3D manual. Mem. Flow-3D Training Course. New Mexico, 2006.

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lograron para la técnica LFC En sus inicios Cobral Ltda fabricaba su producción mediante técnicas de fundición tradicional, las cuales no lograban la productividad adecuada para piezas como Hidrantes y collares de derivación, asimismo presentaba un alto nivel de defectos haciendo que la calidad general de la planta fuera baja y tuviera que ser reprocesada una alta cantidad de metal, incurriendo en costos por sobre proceso. Lo anterior sucedía con referencias fabricadas por fundición tradicional en general. A pesar de que Cobral ya tenía implementado el proceso LFC para algunas referencias de la línea automotriz, que en su mayoría presentaban altas eficiencias de moldeo y excelentes niveles de calidad, algunas piezas como los discos y campanas de freno Logan presentaban todavía un bajo nivel en la eficiencia de moldeo. Por tales motivos las piezas fabricadas por fundición tradicional debían ser evolucionadas a la técnica LFC para que siguieran siendo competitivas en el mercado internacional. Igualmente sobre las piezas ya fabricadas por LFC tenían que mejorarse las eficiencias de moldeo en búsqueda de obtener la mayor productividad. Para lograr el anterior propósito se uso la técnica CFD en búsqueda de optimizar la eficiencia en las piezas producidas ya por LFC y para implementar la técnica sobre las piezas fabricadas por fundición tradicional. Se realizaron varias simulaciones en software CFD para la identificación de las características del flujo de metal y defectología asociada a las piezas fundidas por LFC. Para la simulación, se consideraron diferentes geometrías de árboles de moldeo y sistemas de alimentación, permitiendo evaluar las mejores eficiencias de moldeo y las características geométricas que entregan mejor calidad en las piezas fundidas. El primer trabajo de simulación fue realizado con ayuda de la empresa Flow Science ubicada en Santa Fe (New Mexico, USA), se viajo en el mes de febrero de 2007 a esta ciudad para trabajar en conjunto con los ingenieros de esta empresa. Con el trabajo en simulación sobre las geometrías básicas de los modelos, se pretendía evaluar el actual sistema de vaciado, canales de alimentación de metal y la presencia de defectos. Dicho trabajo conjunto con la empresa norteamericana permitió fortalecer las bases de simulación del equipo de ingeniería del GINUMA con la finalidad de iniciar la intervención de los diseños de sistemas de alimentación actualmente utilizados en COBRAL Ltda., buscando disminuir el porcentaje de defectos presente en la planta.

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OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERAL Caracterizar e identificar mediante herramientas CFD la defectológia asociada a piezas tipo automotriz y para el transporte de fluidos producidas por Fundición a la Espuma Perdida (LFC) en búsqueda de optimizar su calidad estructural, desempeño y eficiencia de producción.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS •

•

• • • • • • • •

Simular el proceso Lost Foam Casting (LFC) usado por Cobral Ltda, para la producción de autopartes y accesorios para el transporte de fluidos, mediante FLOW 3D con el fin predecir la formación de defectos que se presentan en la etapa de vaciado del metal y optimizar los sistemas de alimentación de metal en búsqueda de mejorar la calidad de las piezas fundidas producidas por esta empresa Realizar una revisión bibliográfica del tema de modelación y simulación del proceso de fundición tradicional y del proceso LFC, para indagar acerca de los modelos matemáticos de mayor eficiencia desarrollados para la simulación Evaluar que programas existen en el mercado para la simulación del proceso LFC y mirar cuales son los más utilizados en aplicaciones industriales Elaborar un diagnostico sobre el proceso LFC dentro de la planta de Cobral Ltda. con la finalidad de extraer los valores y variables requeridos para parametrizar la simulación en Flow 3D. Relacionar los defectos presentes en las piezas fundidas por LFC con las variables que gobiernan la etapa de vaciado y solidificación durante el proceso. Utilizar técnicas de CFD (computacional fluids dynamic) para la modelación del vaciado y solidificación del metal en LFC Diagnosticar la valides de la simulación elaborando pruebas mecánicas, químicas y morfológicas sobre las piezas producidas en ensayos para identificar el origen de las defectologías. Establecer las variables a modificar en el proceso productivo arrojadas por la simulación. Implementar los resultados arrojados por la simulación dentro del proceso productivo en la planta de LFC Realizar 2 publicaciones a nivel nacional.

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1. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE

Se muestran a continuación las bases teóricas del proceso LFC, haciendo hincapié en los aspectos fenomenológicos básicos que influyen en la defectologia de las piezas fundidas por LFC. Igualmente se muestra

1.1 PROCESO LOST FOAM CASTING O FUNDICIÓN A LA ESPUMA PERDIDA (LFC) El proceso LFC generalmente es utilizado para la producción de piezas que requieren buenos acabados y tolerancias muy estrechas, también es usado cuando se quiere implementar una producción en línea dentro de una empresa de fundición porque trae grandes beneficios para tirajes de producción largos donde se producen las mismas piezas o de similares cualidades. A pesar de que el uso de modelos de espuma fue patentado el 15 de abril de 1958 por H. F. Shroyer, su desarrollo a nivel comercial se llevó a cabo por Merton C. Flemings en 1962. Este proceso de fundición, donde son usados moldes de arena sin aglutinantes, se clasifica dentro de las vías alternativas a las de moldeo con arenas verdes45. El proceso ha comenzado a adquirir importancia debido a que ofrece buenos acabados en la fabricación de partes complejas y permite tolerancias estrechas. Solo alrededor de 32 (censo 2005) plantas de fundición a nivel mundial tienen implementado este proceso de manera eficiente, en países como Francia, Japón Canadá y Estados Unidos6. Actualmente la técnica LFC se encuentra en crecimiento y está siendo aceptada en muchas más empresas por las ventajas productivas que trae como7: • • • •

Disminución del consumo de arena: casi el 100% de ésta puede ser reutilizado al no tener aglutinantes ni humedad Disminución del costo por manejos de residuos sólidos y líquidos Disminución de tiempos de mecanizado por las altas tolerancias logradas en el proceso Mayores eficiencias en la etapa de moldeo.

4

RAYMOND W., Monroe. Expendable pattern casting. Illinois. Estados Unidos: American Foundrymen’s Society, 1992. 5 PIWONKA S., Thomas. Unbonded sand molds. Molding and Casting Processes. Alabama: Editorial, 1990. 6 CARTAGENA PALACIO, Andrés Mauricio y CHAMORRO ARROYAVE, Juan Camilo. Fundición a la espuma perdida (LFC). Medellín, 2003, Trabajo de grado. (Ingeniero Informático) Escuela de Ingenierías. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Pontificia Bolivariana. 7 DUQUE, A.F. Disminución del porcentaje de defectos en piezas fundidas por lost foam casting para una planta de producción de autopartes en hierro gris. Grupo de investigación sobre Nuevos Materiales, Línea de Nuevos metales. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2006.

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Buscando una explicación completa del proceso LFC,, se dará da una descripción de los pasos y conceptos básicos de ésta técnica, luego se dará paso a la descripción las bases teóricas usadas en la simulación del mismo. 1.1.1 Descripción del proceso. El proceso de Fundición con Espuma Perdida o Lost Foam Casting (LFC) se basa en la fabricación de modelos de espuma con la geometría de la pieza a fundir. Estos modelos se ensamblan al sistema de alimentación de metal para configurar un modelo denominado “Árbol”, el cual, dependiendo del tamaño tam de la a pieza a fabricar, permite fundir varias en una sola colada. Esta etapa puede ser vista en la figura 1. Figura 1. Ensamble de árbol de modelos en PS

Cortesía: COBRAL Ltda.

Dependiendo del metal a fundir, es una buena práctica recubrir el “Árbol” con una pintura refractaria a base de cerámicos como: Sílice, Mica y Oxido de aluminio. Para las fundiciones de hierro es estrictamente necesario la aplicación del recubrimiento refractario, en fundición metales livianos (aluminio, cobre, latón)) es posible obviar el paso de pintado de los modelos, éste es remplazado por una buena compactación de la arena alrededor del modelo. Para aplicar el recubrimiento, la pintura es disuelta en agua y aplicada a a los modelos odelos de espuma mediante aspersión, inmersión o pintado manual. manual Luego de pintar el modelo debe secarse en n un horno a temperaturas de 50 °C a 60°C durante un periodo superior a 2 horas (figura 2) Figura 2. Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. Recubrimiento de modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno de convección forzada de los modelos de espuma

Cortesía: COBRAL Ltda.

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A diferencia de los procesos de fundición en arena existentes, el proceso LFC permite utilizar arena completamente seca y sin aglutinantes, debido a que el modelo de espuma no es retirado del recipiente de moldeo y da el sustento para que la arena no se desborone. Los moldes utilizados el proceso LFC son generalmente cilíndricos; en éstos es ubicado el modelo de espuma que es tapado con arena sin aglomerar. La arena es compactada y distribuida de manera uniforme por toda la geometría de las piezas moldeadas mediante vibración. La figura3 muestra el proceso de moldeo para el proceso LFC.8 Figura 3. Preparación del recipiente metálico y apisonado de la arena en el proceso LFC

Cortesía: COBRAL Ltda.

Durante el vaciado en el proceso de LFC deben garantizarse las temperaturas adecuadas para una adecuada degradación del modelo de espuma. Al vaciar el metal fundido, el modelo de espuma colapsa a una temperatura aproximada de 100ºC (212ºF), se fusiona alrededor de 165ºC (329ºF), se despolimeriza aproximadamente a 316ºC (601ºF) y se descompone alrededor de los 576ºC (1069ºF). El vaciado y los sistemas de entrada no solo deben evitar la entrada de aire y arena, sino también el acceso de residuo plástico del modelo. El residuo plástico capturado en la cavidad de la fundición puede causar porosidad en todo el metal, defectos por pliegues en el aluminio, defectos por carbono en el hierro y segregación de carbono en el acero9. La velocidad de vaciado varía según el tipo de aleación que se esté fundiendo. El vaciado para fundiciones de hierro debe ser muy rápido para evitar el desmoronamiento del molde, a diferencia del vaciado convencional, donde el metal líquido es vertido gradualmente en el molde. Cuando se realiza el vaciado del aluminio, la destrucción de la espuma no es tan rápida obligando que la velocidad de vertimiento sea más lenta que la usada en la práctica de fundición convencional10. 8

FERNÁNDEZ, G. P. ; MARTÍNEZ, H.V ; CRUZ, L. y DUQUE, A.F. Fundición a la Espuma Perdida, Cartilla de proceso. Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2006. 9 CONGRESO NACIONAL DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA MECÁNICA – CONEIM. (X: 2005: Medellín) Proceso Lost Foam Casting Para la obtención de autopartes. Medellín: CONEIM, 2005. 10 . FERNÁNDEZ, P. y otros. Optimización del procesamiento por lost foam casting (LFC) para la fabricación de autopartes. En: Seminario y mini foro iberoamericano de tecnología de materiales. (VII: 2005: La Habana) Subprograma VIII, OGI-Cuba (MINVEC). La Habana: CYTED. Ponencia. 27.

25

Para el vaciado en LFC es importante tener en cuenta que no es una buena práctica interrumpir el vaciado, ya que el molde puede desboronarse o el gas, generado por la degradación del modelo de espuma, puede devolver el metal y generar un accidente. Estos efectos de un vaciado por etapas se explican viendo el metal a alta temperatura como una fuente de calor que incrementa la temperatura de la espuma muy rápidamente y hace que esta se reblandezca disminuyendo la resistencia del molde. 1.1.2 Generalidades y Beneficios LFC. La fabricación de piezas por LFC es un descubrimiento tecnológico que permitió simplificar el proceso de fundición, pues fue posible la eliminación de cajas de moldeo, machos y preparación de moldes, además los espesores en las piezas pueden ser controlados estrechamente. Lo más favorable del proceso es que ofrece múltiples oportunidades para consolidar partes complejas, reducir el mecanizado y minimizar las operaciones de ensamble. Asimismo, permite disminuir los desechos sólidos y las emisiones sólidas que pueden ser un costo de producción muy alto. El proceso LFC tiene mucho éxito desde hace unos 20 años en la producción de partes en aluminio para las industrias automotriz y marina. El proceso empezó a ser usado para la producción de piezas en hierro dúctil y gris a mediados de los 90s, las piezas fabricadas pueden ser: bloques de motor, accesorios de tubería, cigüeñales de motor, discos de freno, campanas de freno, etc. 1.1.3 Beneficios del proceso LFC11. El proceso LFC es utilizado mundialmente para la fabricación de piezas con requerimientos dimensionales y geométricos especiales con gran versatilidad en cuanto al diseño dado, ya que pueden fundirse piezas complejas que no podrían ser obtenidas mediante otras técnicas de fundición. Las piezas fundidas por la técnica de LFC resultan con un buen acabado superficial y tolerancias dimensionales muy estrechas, logrando una calidad insuperable por otras técnicas de fundición. Con los beneficios que presenta la técnica LFC, es fácil ver que en el futuro la mayor parte de las piezas fundidas serán fabricadas por LFC. Dentro de las ventajas están: •

Son posibles altas ratas de producción, por producción en serie

•

Se consigue alta precisión dimensional.

•

No hay necesidad de machos, cajas de moldeo y moldes. Esto permite tener diseños más complejos, controlar el espesor de pared más estrechamente, eliminar particiones de molde y defectos por mezcla de arena con el metal.

11

GARLAND, Buddy. DOE-Industry Partnerships at Work: Lost Foam Casting Research. Presented to The Joint EUWP-EEWP. Program Manager Industrial Technologies, 2003.

26

•

El mecanizado es eliminado al máximo y en algunos casos no es necesario, lo cual genera mayores ahorros en mano de obra y en herramientas. Sin embargo son necesarias limpiezas con chorro de arena o martillado con perdigones.

•

La mayor parte de la arena es reutilizable, ya que no es necesaria la adición de aglutinantes y se utiliza una arena seca. Es un proceso limpio para el medio ambiente porque es posible implementar un sistema de recirculación de arena. Aunque hay que retirar restos de arena que quedaron mezclados con los productos de la combustión del modelo de espuma. La cantidad de arena remplazada es, generalmente, menor que en un método tradicional.

•

Mayor costo de las herramientas y equipos hace que el proceso sea restringido para altos volúmenes de producción. La inversión inicial es alta debido a que son necesarios equipos especiales de fundición.

•

Hay posibilidad de automatizar e implementar sistemas de control de producción lo que supone una disminución de costes de operación y defectos en modelos moldes y piezas.

•

Como en todos los procesos que utilizan modelos no permanentes, se evita el problema del almacenaje de los moldes.

•

No es necesaria la intervención del personal especializado en la producción de piezas por LFC producción.

•

Posibilidad de incorporar insertos metálicos en la pieza de fundición

•

Se pueden fundir metales ferrosos y no ferrosos en cualquier tamaño

•

Mano de obra reducida en comparación a otras técnicas de fundición y bajo costo del material del modelo; hacen que la fundición a la espuma perdida sea una alternativa económica viable para muchas empresas que trabajan la fundición en arena tradicional.

•

El proceso LFC en un proceso de moldeo limpio (los residuos finales del proceso son menores que en los procesos de fundición tradicional donde la contaminación de agua y los residuos de arena son mayores) que logra muy buenas tolerancias.

Con el proceso se pueden lograr fundiciones de excelente acabado superficial y extremada precisión dimensional, lográndose fundir piezas de tan solo una fracción de kilogramo hasta piezas de toneladas. Las tolerancias alcanzadas dependen del tamaño, complejidad y geometría de la parte a fundir. La tabla 1 hace una comparación entre los valores de tolerancias y rugosidad característicos para el proceso LFC y los valores característicos para otras técnicas de fundición. 27

Tabla 1. Tolerancias estimadas en un proceso de fundición a la espuma perdida comparadas con tolerancias alcanzadas con otros procesos de fundición Técnica de fundición

LFC

Dimensión (in) <1 1 a5 3a5 5 a 10 Rugosidad estimada

Fundición en arena Molde permanente

5 a 7 (Hierro) 5 a 7 (Aluminio) Rugosidad estimada <1 Rugosidad estimada

Tolerancia +/- .007 in +/- 0.012 in +/- 0.012 in +/- 0.017 in < 7 in. 0.0015 in > 7 in. 0.003 in +/-0.060 in +/-0.030 in 1000-3000 µin +/- 0.030 125 µin

Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de manufactura moderna. [En línea] s.p.i. [consulta: Oct. 2009].

En la tabla 1 se pueden ver las tolerancias alcanzadas para determinados tamaños de fundiciones por LFC. Comparando estos valores con fundiciones tradicionales se puede ver que la técnica LFC es mucho más precisa que otras técnicas, además se ve que se puede alcanzar acabados superficiales excelentes a un coste menor que en técnicas como la de fundición con molde permanente. Por los acabados y tolerancias logrados con el proceso LFC se puede minimizar el mecanizado y hasta eliminarlo por completo. 1.1.4 Requerimientos Producción de piezas por LFC. La alta demanda en las líneas ensambladoras de automóviles, productoras de componentes para transporte de fluidos e industria naval hacen que la producción de partes por LFC tenga que adoptar una configuración productiva continua para poder responder a las necesidades mercado. La producción de piezas por LFC generalmente utiliza una configuración productiva en línea pues se enfoca en la fabricación de grandes lotes de pocos productos diferentes, pero técnicamente homogéneos, usando las mismas instalaciones. Su proceso de obtención requiere una secuencia similar de operaciones, por lo que las máquinas se disponen en línea una tras otra o con una ruta planificada. Con este modelo productivo las perdidas por defectos de producción son costosas y deben ser minimizadas al máximo, ya que los reprocesos de fundición y mayores tiempos de limpieza de las piezas, debidos a defectos, disminuyen la productividad de la línea, que es rentable siempre y cuando los niveles de calidad se mantengan controlados. Se ajustan las máquinas cuando se cambia de producto. La maquinaria desarrolla operaciones muy similares pero no exactamente iguales. Conservando alguna versatilidad.

28

La producción de partes por LFC se caracteriza por: •

Maquinaria muy especializada

•

Alta inversión en capital

•

Mayor automatización y homogeneidad en los procesos

•

Aumenta la especialización de los trabajadores

•

Economías de escala, disminuyendo costos variables y la flexibilidad.

•

Requiere alta utilización, lo que implica lotes de gran volumen para lograr costos unitarios bajos.

•

Se fabrica para tener altos volúmenes de inventarios. Puesto que el cliente debe tener siempre un “stock” de piezas disponibles para la compra.

•

Combina ventajas de la configuración continua y del “Job Shop”.

•

Implica un diseño de productos y procesos a largo plazo.

•

La metodología de producción permite responder más rápidamente a las variaciones en la demanda.

•

Mejores condiciones con proveedores gracias a las economías de escala.

Las piezas producidas por LFC deben ser piezas que se sostendrán por mucho tiempo en el mercado porque la inversión inicial es alta y se debe amortizar en el tiempo. Las características de producción para piezas por LFC en las industria automotriz, naval y de transporte de fluidos debe ser ágil, rápida y de pocos tiempos muertos12 (tiempos de espera entre operación y operación) sin hacer de lado el control de calidad tanto de materias primas, proceso y piezas terminadas, ya que la aplicación para la que fueron diseñadas las piezas demanda una altísima eficiencia y no se permiten fallos catastróficos. Para los componentes automotrices y para transporte de fluidos fabricados por LFC el control de calidad es más riguroso porque sobre estos elementos recae un alto porcentaje de la seguridad de automóviles y construcciones.

12

RUIZ JIMÉNEZ, Antonio y otros. Dirección de operaciones: aspectos tácticos y operativos en la producción y en los servicios. Madrid: McGraw-Hill, 1994. p. 503.

29

1.1.5 Variables del proceso LFC. En esta sección se verán los valores más comunes para las variables del proceso LFC que afectan directamente la calidad de las piezas fundidas durante el vaciado y solidificación del metal. Asimismo, las etapas del proceso que pueden ser mejoradas mediante la simulación numérica13. Producción del modelo de espuma Como se vio anteriormente las secciones de los modelos de espuma se fabrican con la ayuda de una máquina moldeadora de poliestireno, la cual conforma las secciones de EPS con ayuda de vapor. De la geometría y calidad del modelo de espuma dependen las características de la pieza fundida, así mismo los canales del sistema de alimentación están moldeados en EPS y deben contar con un diseño y calidad adecuados para garantizar el flujo de metal. Las variables de la etapa de producción de EPS que intervienen y más afectan la calidad de las piezas producidas por LFC son: •

Densidad: es una de las variables que controla el proceso de llenado del modelo de espuma, ya que al contar con densidades de EPS altas, la espuma presenta un mayor tiempo de degradación y es necesario que la temperatura de vaciado del metal aumente para lograr su adecuada vaporización del modelo. A su vez, afecta la calidad de las piezas fundidas por LFC, ya que de ésta depende la calidad superficial, la porosidad y algunas propiedades mecánicas. Entre más baja la densidad de la espuma menores serán los defectos de carbono brillante, porosidad, llenado incompleto y mal acabado superficial encontrados en las piezas fundidas. Por lo general los fundidores de piezas por LFC utilizan PS con densidad de perla de 600 g/l a 700g/l. Después de la expansión del poliestireno se busca que la espuma tenga una densidad dentro del rango de 22.4 g/l a 25.6 g/l para fundiciones de aluminio y para las fundiciones de hierro se busca una densidad de espuma dentro del rango de 16 g/l a 22,4 g/l14 15.

•

Temperatura: se refiere a la temperatura de degradación del modelo de espuma, la cual va ligada a la densidad del EPS, debido a que si el modelo presenta altas densidades (fuera de los niveles de espuma) la temperatura requerida por el metal para degradar el material deberá ser mucho mayor.

13

CENTRO INTEGRAL PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN (CIDI). Optimización del proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes de exportación. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2002. 14 FERNÁNDEZ, P, Op. Cit., Ponencia 27. 15 CARTAGENA PALACIO, Op. Cit., h. 64-77, 88.

30

Por lo general el PS presenta el punto de ablandamiento aproximadamente a los 100°C 16, temperatura que no debe ser excedida por la arena de moldeo, ya que si logra reblandecerse la espuma se perderá la forma y las piezas fundidas presentaran defectos geométricos. La pirolisis se presenta a una temperatura de 350°C a 400°C y alrededor de 427°C se da la ignición espont ánea del material. Las temperaturas de pirolisis y de ignición espontánea se deben tener en cuenta en la etapa de vaciado del metal, ya que la finalidad de dicha etapa es lograr la completa degradación del modelo de espuma. •

Agente de expansión: el pentano es el agente de expansión del poliestireno, sin éste no sería posible lograr la disminución de densidad que se busca con el proceso de preexpansión del PS. El contenido de pentano en el PS es de 3% a 8% en peso aproximadamente antes de ser expandido (preexpansión). En la conformación de las perlas, el contenido de pentano se encuentra alrededor de un 1.5% y al realizar el prensado éste cae alrededor de 1% en peso. Igualmente, es eliminado por el EPS en el tiempo de almacenamiento17. Tanto el contenido de pentano como la densidad influyen en el fenómeno de degradación de la espuma vinculado a LFC, al presentar un contenido de pentano superior al 2% y 3% los gases de la reacción de degradación son mas abundantes generado una gran probabilidad de poros en la pieza fundida. Equivalentemente, el alto contenido de pentano es sinónimo de una mayor densidad de EPS, generando durante el vaciado un mayor contenido de impurezas y subproductos de la degradación de la espuma atrapados dentro de las piezas fundidas.

Unión de las secciones fabricadas Cuando las secciones de EPS han sido finalizadas y se encuentran listas para el proceso de armado de los árboles, se lleva a cabo el proceso de pegado de las secciones. Generalmente el pegante utilizado es un sólido termoplástico que es calentado hasta lograr la fusión. En esta etapa debe tenerse algún control sobre las variables, algunas de estas deben ser inspeccionadas y controladas con rigurosidad con la finalidad de lograr una unión fuerte. •

Densidad: generalmente las densidades de estos pegamentos son altas registrando valores que llegan a 60 lb/ft3, esta condición facilita el untado sobre las superficies del modelo*. Sin embargo, presenta condiciones de degradación térmica equivalentes a las del EPS, con niveles de generación de gases y residuos sólidos similares.

•

Adhesión: debe garantizarse que el adhesivo presente características de adhesión adecuadas sin requerir grandes cantidades del mismo para la

16

ASHLADD DISTRIBUTION COMPANY. Thermoplastic Troubleshooting Guide. General Polymer Division. USA: El autor, año. p. xx 17 FERNÁNDEZ, Op. Cit., p. xx * CENTRO INTEGRAL PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN (CIDI).

31

unión de las secciones de EPS. Debe disminuirse la aparición de rebabas porque el metal fundido copia fielmente la geometría del modelo, incluyendo las imperfecciones superficiales del pegado, tendiendo que pulirlas en las operaciones de mecanizado, lo cual incrementa el tiempo de fabricación del producto. •

Temperatura: Para el secado del recubrimiento cerámico se utiliza una temperatura que ronda los 65ºC, por esto, el pegante debe resistir esta temperatura sin presentar deformación alguna.

•

Peso: El pegante constituye entre 10% y 20% del peso del árbol de piezas antes de aplicar el recubrimiento. Por tal motivo es importante aumentar la calidad superficial de los modelos y disminuir la rebabas para que no sea necesario usar exceso de pegante en las uniones

Pintado de los modelos de espuma Después de realizado el ensamble se procede al pintado de los árboles, el recubrimiento usado en este proceso debe tener unas características especiales en cuanto viscosidad, permeabilidad generada y espesor, debido a que una gran cantidad de defectos tienen su origen en la mala aplicación y selección del recubrimiento refractario. •

Permeabilidad: se refiere la permeabilidad a la capacidad que tiene un sistema poroso al paso de gases y líquidos a través de si mismo. En el proceso LFC el recubrimiento debe ser lo suficientemente permeable a la salida de gases, pues en el momento del vaciado el metal degrada la espuma convirtiéndola en gas y si el recubrimiento no posee la permeabilidad necesaria el gas puede quedar atrapado dentro del metal.

•

Refractariedad: esta propiedad es propia de los recubrimientos utilizados en la técnica LFC, debe garantizarse cierto grado de refractariedad para que el recubrimiento soporte las altas temperaturas de vaciado y no se degrade por la alta temperatura del metal fundido y quede embebido en las piezas fundidas. Además, el comportamiento refractario ayuda a disminuir la transferencia de calor del metal hacia la arena, generando un enfriamiento del metal más lento y permitiendo una solidificación controlada.

•

Rigidez: esta propiedad está relacionada directamente con el espesor del recubrimiento, se debe contar con una rigidez adecuada para dar más fortaleza al árbol de modelos, pues durante la adición de arena en los tarros de moldeo se puede dañar el árbol cuando éste posee baja resistencia, lo cual desencadena en defectos por deformidad del modelo de espuma, además la rigidez del recubrimiento facilita la manipulación del modelo de espuma.

32

•

Contenido de humedad: de un buen secado depende también la calidad de las piezas fundidas, cuando el recubrimiento posee un porcentaje de humedad muy alto durante el vaciado las piezas presentarán porosidades y acabados superficiales muy bajos. Por tal motivo los modelos pintados deben ser secados en horno a una temperatura entre 40ºC – 60ºC durante un periodo de 2 a 10 horas. Se debe tener cuidado de no aumentar la temperatura por encima de la temperatura de reblandecimiento de la espuma18.

•

Viscosidad: el grado de viscosidad depende de la técnica de pintado que sea utilizada, para el pintado por inmersión debe ser utilizado un recubrimiento con mayor viscosidad que en la técnica por aspersión. Antes de realizar el pintado por inmersión la viscosidad del recubrimiento deberá estar entre 3000-8000 cps19. De este parámetro dependen casi todas las propiedades del recubrimiento, ya que si es aumentada la viscosidad el espesor aumenta, la permeabilidad disminuye y se generará un mayor efecto de aislamiento térmico del metal provocando un enfriamiento más lento.

Las propiedades del recubrimiento refractario son las que influyen en gran medida en la calidad de las piezas fabricadas por LFC. El estudio de las mismas se convierte en una labor constante por parte de los productores por LFC porque modificando estos parámetros es controlada la velocidad de vaciado. Llenado del recipiente de moldeo La evacuación de los gases generados por la degradación del modelo de EPS es de suma importancia para lograr una calidad adecuada en las piezas fundidas por LFC. Por tal motivo en el llenado del recipiente de moldeo es utilizada una arena que permite la salida de los gases sin mayores restricciones. En esta etapa no pueden ser utilizadas arenas muy finas porque pueden impedir el escape de los productos de combustión del EPS y tampoco pueden ser utilizadas arenas gruesas porque se presentarían defectos como penetración de metal y superficies ásperas. La arena utilizada comúnmente en el proceso LFC es sílice con un índice AFS de 35-45. Las condiciones de la arena deben ser parametrizadas durante la simulación, se deben conocer las propiedades de conductividad térmica, nivel de permeabilidad, porcentaje de humedad y temperatura inicial. Las variables de relevancia para la simulación son:

18

FERNÁNDEZ, G. P. ; MARTÍNEZ, H.V. ; CRUZ, L y DUQUE, A.F. Proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes. En: Revista DYNA. Medellín. Vol. 74, no. 151, (mar. 2007); p. 15-24. 19 CENTRO INTEGRAL PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN (CIDI). Optimización del proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes de exportación, Op. Cit., p. xx

33

•

Temperatura: la temperatura inicial de la arena debe ser conocida, ya que es una variable de entrada para el cálculo de la transferencia de calor Metal – arena durante el vaciado y solidificación del metal. Ésta no debe exceder la temperatura de reblandecimiento del EPS para evitar desmoronamientos y distorsiones. Generalmente en el sistema de manejo de arenas es instalado un intercambiador de calor para llevar la temperatura de la arena hasta los 49ºC20, que es una temperatura que no afecta el modelo.

•

Compactación: en el proceso LFC la compactación de la arena es efectuada usando vibración. Se dosifican pequeñas cantidades de arena y se aplica vibración sobre el tarro de moldeo. Debe ser garantizada una compactación tal que el modelo de espuma no se desplace por efectos de flotabilidad cuando el metal es vaciado. Si embargo, un exceso de compactación genera bajas permeabilidades del sistema, lo cual crea defectos graves en las piezas fundidas por falta de evacuación de los gases

Para garantizar una compactación adecuada debe ser adicionado de 0.2% a 1 % de arena nueva en cada recipiente de moldo mientras Vaciado del metal fundido Se puede decir que esta etapa del proceso LFC es la que recibe más controles, debido a que de esta dependen muchas de las características de calidad logradas en las piezas fundidas y a su vez una mala selección de los parámetros es la causante de un gran número de defectos en las piezas. En el vaciado del metal fundido se tienen en cuenta ciertos parámetros como la velocidad de vaciado del metal, temperatura de colado, diseño de sistemas de alimentación de metal, tiempos de solidificación, etc. En cuanto a los diseños de los sistemas de alimentación de metal se podría decir que son mucho más amplios que los utilizados en la fundición tradicional, pues debe garantizarse que el vaciado sea uniforme, sin interrupciones y a velocidades mayores. El punto de entrada de metal se ubica preferiblemente por debajo del moldeo, utilizando vertederos altos que permitan generar una presión hidrostática de metal que supere la contrapresión ejercida por los productos gaseosos de la degradación del EPS. La velocidad de vaciado es dependiente de la temperatura de vaciado, la densidad de la espuma y la permeabilidad del recubrimiento, se encuentra generalmente entre 12-17 Kg./seg., la cual es varia con el tamaño y geometría de la pieza a fundir. Aunque, debe garantizarse una velocidad de vaciado alta, para lograr una rápida degradación del modelo de espuma, no puede ser superado el rango mencionado anteriormente porque se pueden generar poros, salpicaduras y gotas frías por la rapidez en que entra el metal en el sistema. 20

ASHLADD DISTRIBUTION COMPANY, Op. Cit., p. xx

34

La temperatura de vaciado se encuentra entre 1400ºC y 1445ºC para los hierros fundidos por Cobral, Cobral este rango permite la degradación gradación instantánea del modelo y además se logra una buena fluidez del metal, cumpliendo con las restricciones de velocidad de vaciado. En la tabla 2 se muestra un resumen de las variables mencionadas anteriormente. Tabla 2. Resumen esumen de de las variables en el proceso LFC, divididas por etapas de proceso

35

1.2 DEFECTOLOGÍA Y CONDICIONES A MEJORAR CON LA SIMULACIÓN Son muchas las variables que se deben controlar para no generar defectos en las piezas fundidas por LFC. Modelos con dimensiones no adecuadas, un recubrimiento inconsistente, el proceso de compactación de la arena, un sistema de alimentación de colada inadecuado, etc. generan defectos muy serios en las piezas terminadas. Los defectos presentes en las piezas producidas por LFC pueden dividirse en dos grupos; defectos presentes en la etapa de producción del modelo de espuma, que pueden afectar las piezas fundidas, y defectos inherentes a la etapa de fusión y vaciado del metal. En el tabla 3 se describen los defectos de la etapa de fusión característicos del proceso LFC y que con la simulación pueden ser identificados y solucionados con modificaciones en sistemas de alimentación y perfiles de enfriamiento21. La identificación de defectos mediante simulación es eficiente siempre y cuando los modelos matemáticos y software utilizados hayan sido validados. Es importante conocer la representación de cada defecto generada dentro del software, igualmente lograr una fundamentación teórica en cuanto a las características de formación de los mismos, ya que el software de simulación no diferencia entre un tipo u otro. Por tal motivo, el modelador de procesos mediante simulación debe conocer los fenómenos característicos de formación de cada uno de los defectos presentes en LFC para facilitar el análisis de los resultados arrojados por la simulación. Para los casos de estudio propuestos en el presente trabajo y que serán mostrados en el capítulo 4, el análisis de defectos mediante simulación se enfoca más que todo en los que provienen específicamente del procedimiento de vaciado y solidificación del metal, detallando los efectos de los fenómenos de transferencia de calor, flujo de metal, viscosidad y atrapamiento de gases por parte del metal

21

DUQUE MESA, Andrés Felipe. Optimización del proceso lost foam cating para la fabricación de partes automotrices. Medellín: 2006, h. xx. Trabajo de grado. (Ingeniero Mecánico) Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenierías. Facultad de Ingeniería Mecánica.

36

Tabla 3. Defectos Característicos del proceso LFC DEFECTO

DESCRIPCIÓN

VARIABLES DEPENDIENTES

SOLUCIONES

IMAGEN

Evaluar la orientación y la Baja permeabilidad del recubrimiento y geometría de los racimos (superficies planas deben ir del sistema de moldeo en arena. verticales). Exceso de pegante en las juntas.

CARBÓN BRILLANTE

Los productos de la pirolisis del modelo en EPS quedan Alta densidad del modelo. atrapados dentro de la fundición en forma de grafito, el cual presenta un brillo característico, de donde aparece el nombre de Tiempo prolongado de vaciado. grafito brillante. Este defecto es generalmente encontrado en la superficie exterior de las piezas fundidas. Baja temperatura de vaciado

Controlar el exceso de pegante. Minimizar modelo.

la

densidad

del

Tener un recubrimiento lo suficientemente permeable que permita salir los gases generados en la pirolisis del modelo. Usar otro tipo de recubrimiento para el modelo de espuma.

Orientación o geometría del modelo Cambiar el polímetro utilizado (superficies planas horizontales a la para la fabricación del modelo. cubierta de la fundición). Baja permeabilidad del recubrimiento. Este defecto viene de la mano con los agujeros por gas que son POROSIDAD generados por los productos Alta densidad del modelo. POR PIROLISIS gaseosos de la pirolisis del DEL MODELO modelo los cuales quedan Alta compactación de la arena. atrapados en la superficie de la pieza. Agujeros de salida de gases muy pequeños o insuficientes en el tarro de moldeo.

37

Uso de recubrimiento que brinde la permeabilidad requerida. Control de compactación de la arena durante el moldeo. Minimizar la densidad del modelo a valores establecidos. Aumentar el número de agujeros de salida de gases en el tarro de moldeo.

DEFECTO

DESCRIPCIÓN

Se presenta como una capa delgada o una protuberancia sin forma que está compuesta de una mezcla de arena, recubrimiento refractario y metal, solidificada y adherida a la superficie de la pieza, presentando apariencia porosa. INCRUSTACION No es deseable porque en DE ARENA Y algunos casos afecta las PENETRACIÓN propiedades mecánicas del DE METAL elemento, creando concentradores de esfuerzos en la superficie de la pieza. Generalmente las incrustaciones de arena son defectos que pueden ser retirados con un mecanizado por arranque de viruta

EROSIÓN MOLDE

VARIABLES DEPENDIENTES

SOLUCIONES

Penetración del metal a través de grietas o poros presentes en el recubrimiento del Correcta manipulación y modelo. transporte del modelo ya pintado ya que cualquier golpe Arena con baja densidad localizada puede agrietar el recubrimiento Alta permeabilidad del recubrimiento y permitir, posteriormente, la entrada de arena en la etapa refractario. Espesor muy delgado del recubrimiento de vaciado. en zonas de altas temperaturas. Verificar que el modelo este Altas presiones y temperaturas de colada pintado adecuadamente y que en el vaciado. no tenga zonas blancas. Pintado inadecuado o defectuoso del Colar a la menor temperatura modelo. posible. Calentamiento excesivo de la arena Hacer una buena compactación previamente a la solidificación y de la arena. compactación insuficiente de la arena.

Perdida del recubrimiento refractario en el modelo por alta velocidad en el flujo de metal durante el vaciado. Zonas donde el metal fundido impacta con mucha fuerza con la pared del Es el resultado del arrastre de la modelo. arena por la corriente de metal Sistema de alimentación de colada con DEL fundido sobre la superficie del entradas muy pequeñas. molde. Altas temperaturas de vaciado.

Evitar las entradas directas a la pieza por parte de los bajantes.

Bajantes no muy grandes que permitan una entrada del metal fundido con poca fuerza. Colar a una temperatura tan baja como sea posible. Lograr una buena permeabilidad de la arena. Recubrimiento con baja resistencia a la Evitar el colado a altas alta temperatura. presiones. Utilizar recubrimientos con resistencia a altas temperaturas.

38

IMAGEN

DEFECTO

INCLUSIONES NO METÁLICAS

DESCRIPCIÓN

Partículas no metálicas embebidas en el material metálico que pueden ser de arena, productos de oxidación, recubrimiento refractario, etc. y que generalmente se presentan sobre o cercanas a la superficie. Pueden ser productos que en la etapa de moldeo de las secciones de PS contaminaron el material.

VARIABLES DEPENDIENTES

SOLUCIONES

Entrada de inclusiones residuales no metálicas tales como óxidos, sulfuros formados en el momento de refinación y vertido del metal. Bebederos inadecuados, generan estrangulaciones insuficientes para la escoria y las partículas no metálicas.

Velocidades de colado lo más despacio posible para evitar el desgarre del recubrimiento refractario y el despegue del modelo.

Fusión suficiente de las perlas Baja calidad del modelo, comúnmente durante la elaboración del por fusión deficiente de las perlas. modelo, para evitar posibles desgarres del recubrimiento en Entradas y sistemas de distribución que la zona donde hay polímero permite la penetración del recubrimiento. crudo. Capas de recubrimiento de muy bajo Evitar el vaciado por etapas, espesor. este debe ser constante Excesiva velocidad de vaciado o vaciado Diseño adecuado del sistema Generalmente las inclusiones con interrupciones. de distribución y vaciado. son color negro porque casi Desgarre del recubrimiento refractario siempre son recubiertas con No permitir bajos espesores en con el metal, quedando este moldeado residuos de carbono el recubrimiento. en la pieza. Erosiones y arrastre de arena, debido al bajo poder refractario de la arena.

39

IMAGEN

2. FUNDAMENTOS Y BASES TEÓRICAS DE LA SIMULACIÓN CON CFD

En la simulación del proceso LFC no es posible lograr una representación del recubrimiento refractario en cuanto a permeabilidad y refractariedad. Por tal motivo, deben ser estudiados los fenómenos térmicos que intervienen en la degradación de la espuma parametrizandolos en búsqueda del control de la velocidad de llenado del molde por parte del metal. En tal sentido, la representación del proceso LFC lograda en la simulación con Flow 3D es ajustada a la realidad trabajando con las propiedades físicas, térmicas y de transferencia de calor de la arena, la espuma y el metal fundido. El análisis por simulación de los procesos de fundición de metal permite predecir los fenómenos termodinámicos y de transferencia de masa durante el llenado y la solidificación del metal en el molde, lo cual da cuenta de las características de cada proceso de transformación. La tabla 4 muestra los objetivos de análisis durante la simulación. Tabla 4. Análisis del llenado y solidificación durante los procesos de transformación de metal mediante fundición

-

Llenado del molde Visualización de la secuencia de llenado obtención de las características de descarga del vaciadero Identificación de las posibles separaciones de flujo en bajantes, canales de alimentación y cavidades. Encontrar velocidades de flujo máximas en las entradas Identificar las cantidades de aire atrapado, óxidos formados y defectos de llenado.

Solidificación -

-

Encontrar los tiempos de solidificación Elegir las temperaturas adecuadas de vaciado para evitar el enfriamiento prematuro. Identificación puntos calientes Evaluar porosidades y contracción en el metal originadas por la solidificación.

Para obtener una alta calidad en las piezas fundidas se requiere de una experimentación previa, por esto cuando se introduce un nuevo modelo se deben hacer una serie de ensayos en planta para rastrear los problemas presentes en el diseño, se practican pruebas de ensayo-error hasta encontrar el punto optimo del proceso, en donde se presentan los menores defectos en las piezas y finalmente se logra la calidad buscada. Es por esto que las empresas que utilizan la técnica LFC están orientadas a la adquisición de programas para la modelación y simulación del proceso, con el fin de predecir defectos, facilitar el diseño de los modelos, disminuir costos de experimentación y lograr mejor calidad en las piezas terminadas22. 22

BARKHUDAROV, M.R. Is Fluid Flow Important for Predicting Solidification?. En: Solidification Processing ‘97 Conference. USA: El autor, 1997.

40

La técnica más utilizada para la modelación y simulación del proceso LFC es el uso de software CAD (Computational Assisted Design) combinados con software de modelación de fluidos CFD (Computational Fluids Dynamic). Las técnicas de simulación tienen sus raíces en los años cuarenta, donde se realizaron estudios sobre la predicción de transferencia de calor en modelos de fundición. La aplicación principal, durante esta época, fue la obtención del camino de las Isotermas en el momento del vaciado del metal. Lo que permitió la predicción de puntos calientes en los moldes de fundición y así predecir una serie de defectos debidos a este fenómeno23. Con el desarrollo de algunos estudios utilizando computadoras análogas, creció el interés por estas técnicas de simulación. Estas técnicas se basaban en el planteamiento de balances de energía, masa y otros; y la similitud entre las ecuaciones diferenciales que describen los principios de flujos de calor y electricidad. Uno de los primeros desarrollos fue la computadora análoga “Analizador de flujo de masa y calor” en la Universidad de Columbia (NY), con el uso de ésta Víctor Paschkis Analizó la transferencia de calor entre la arena y el hierro fundido gris (1944). En 1954, Sarjant y Slack calcularon la distribución interna de temperatura en lingotes de acero, usando métodos numéricos para modelar el flujo de calor a través de estos. La primera aplicación utilizando computadoras digitales fue alrededor de 1960, donde Fursund en Dinamarca, encontró que la difusión de calor, en el proceso de fundición en arena, afectaba el acabado superficial en la fundición de acero (1962) En general han sido aplicadas un sin número de técnicas para simulaciones relacionadas con el proceso de fundición, dentro de estas están: •

FDM (Finite-Difference Method): Método de las diferencias finitas, James Henzel y Jack Keverian utilizaron este método para la modelación de producción del acero. Este método se basa en ecuaciones del análisis numérico, que se forman, expandiendo las ecuaciones diferenciales parciales, usando el teorema de la expansión de Taylor. La limitación mayor de este método son las superficies libres presentes al llenar el molde.

•

THT (Transient Heat Transfer): Aplicado por Campbell y Vollenweider (General Electric Co) en 1965 para la predicción de la solidificación en modelos de fundición.

23

BASTIAN, Kevin M. Casting Process Simulation. En: Modern casting. Vol. 90, no. 12, (1996); p. 4345.

41

•

FEM (Finite Element Method): El método de simulación por elementos finitos fue desarrollado originalmente para resolver problemas de análisis de esfuerzos en estructuras. En 1960 fue reportado el uso de FEM para la solución de problemas de transferencia de calor.

En la década de los 70’s la alta competencia en la industria de fundición, genero un aumento en los estudios sobre simulación del proceso LFC, para la solución de problemas y aumento de productividad. En esta década se creó el primer desarrollo que mostró la simulación del proceso en forma grafica, en el laboratorio científico Los Alamos desarrollaron técnicas computacionales que mostraban imágenes a color provenientes de la simulación de procesos de fundición. En la década de los 70’s Tony Hirt desarrollo en dicho laboratorio el software Flow 3d y fundo ya en los 80’s la compañía Flow Science que en 1985 saco la primera versión de este software al mercado público24. En los 70’s se incremento sustancialmente el desarrollo de las computadoras, lo cual permitió un estudio más profundo de los fenómenos relacionados con el proceso de fundición. Además, algunas casas desarrolladoras de software comenzaron a generar programas que servían para la aplicación, incorporando módulos que estudiaban el flujo de metal durante el proceso para predecir problemas durante el vaciado. En la década del ochenta inicio el desarrollo de simulación sobre el llenado de los moldes de fundición para optimizar los sistemas de alimentación de colada, eliminar defectos por llenado, determinar tiempos de vaciado y crear modelos que tuvieran una adecuada distribución de temperatura. En otros casos para predecir una serie de defectos inherentes a la solidificación (esfuerzos residuales, puntos calientes, grietas, distorsión del molde, rechupes y porosidades) Con el aumento de los software de simulación empezaron a desarrollase, dentro de las compañías de fundición, políticas de erradicación de los métodos de ensayo-error. Por tal motivo se implementaron simulaciones robustas que modelaran los procesos de solidificación y vaciado del metal La técnicas de simulación han estado disponibles por décadas, solo desde los años ochenta han sido aplicadas a la modelación del proceso de de fundición, a causa de el desarrollo tecnológico permitió la combinación ideal entre el software y el hardware para poder simular el proceso LFC.

24

FLOW 3D USER CONFERENCE. Advance Casting training. [En línea] México: El autor, 2007. [Consulta: Dic. 2009].

42

Algunas aplicaciones de las técnicas de simulación por CFDs incluyen la modelación de procesos y predicción de defectos, a continuación se listan algunos usos de CFDs25: •

Simulación de procesos de fundición tradicional, Die casting, LFC, fundición a la cera perdida, fundición centrifuga, etc.

•

Modelación del fenómeno de solidificación del metal

•

Predicción de fuerzas residuales, porosidad y propiedades mecánicas en las piezas fundidas.

•

Simulación del proceso de producción del modelo en Poliestireno expandido(EPS) para el proceso LFC

La tecnología CFD está siendo utilizada en el diseño de piezas producidas por Lost Foam Casting para la predicción de defectos. Esta tecnología permite verificar, en el momento del vaciado, una serie de defectos que se pueden presentar por diseños muy complejos en el modelo, además permite evaluar partes del modelo que podrían tener problemas durante el fenómeno de solidificación. Estos desarrollos han logrado una producción exitosa con menos índices de rechazos porque permiten estudiar el diseño del modelo y no son necesarias pruebas de ensayo-error para optimizar el proceso de producción. Actualmente existen algunos proyectos que emplean la tecnología CFD para facilitar el diseño de moldes utilizados en la producción del modelo de espuma, con la ayuda de CFD’s se pueden visualizar algunos problemas en la configuración del molde como lo son26: •

Ubicación de inyectores de PS

•

Lugar de los mecanismos de inyección de vapor

•

Problemas de acabado.

•

Geometría

Beneficios de la simulación Se han identificado las causas de los defectos en LFC y se sabe que muchos defectos se presentan en la etapa de vaciado de metal, debido a diferencias de densidad entre el modelo y el metal fundido, los gases de evaporación y el desprendimiento de recubrimiento refractario, entre otros. Igualmente esta serie de defectos ocurren un 90% de las veces por mal diseño de modelos y solo un 25

HIRT, Op. Cit., p. 935-946. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. CFD Modeling For Lost Foam White Side, Metal Casting. Washington: El autor, 2000. p. xx 26

43

10% de las veces por problemas de manufactura. Por esto, la simulación permite disminuir los costos de diseño de los modelos y la materia prima perdida en ensayos. De igual forma la simulación del proceso permite mejoras de calidad y asocia algunos beneficios: •

Permite disminuir los porcentajes de piezas no conformes, reduciendo la materia prima perdida en estas piezas.

•

Asegura sistemas de alimentación de colada eficientes que garantizan el llenado completo del molde.

•

Facilita el diseño de modelos.

•

El proceso se vuelve más eficiente haciendo que la planta aumente su productividad.

•

Reduce el tiempo de introducción de un nuevo modelo, por ahorro de tiempo en los ensayos de planta. Lo que permite responder a las necesidades del mercado.

•

Aumento en la calidad en las piezas fundidas, mejorando el acabado superficial y las tolerancias dimensiónales.

•

Da un mayor poder de ventas a la compañía productora de piezas fundidas, pues se puede usar la herramienta durante las negociaciones.

2.1 SOFTWARE COMERCIAL Al iniciar la indagación acerca de la simulación numérica del proceso LFC se realizo la búsqueda del software que mejor se acomodara al objetivo de simular el proceso LFC y en general los proceso de transformación de metales. Fue entonces realizado un análisis comparativo entre los diferentes software de simulación presentes en el mercado, se analizaron sus características principales en cuanto a capacidad para el análisis de diferentes procesos de transformación de metales (lost Foam Casting, Squeeze Casting, fundición tradicional, etc.), requerimiento de máquina, y velocidad de procesamiento de datos, encontrando que el software más adecuado y potente para el requerimiento fue FLOW 3D de la empresa Flow Science 2.1.1 FLow 3D. FLOW3D incluye una serie de modelos físicos especialmente diseñados para el proceso de fundición. Esto modelos incluyen algoritmos para fluidos no Newtonianos, Lost Foam Casting, procesos en estado semisólido y die casting. Este programa permite aumentar la calidad de los productos fundidos, pues se pueden predecir defectos en las piezas fundidas al analizar el flujo de metal durante la etapa de vaciado27. 27

FLOW 3D USER CONFERENCE. Op. Cit.

44

FLOW3D tiene capacidad para simular el proceso LFC, con este programa el usuario puede simular la etapa de vaciado de metal en el molde, así como la solidificación subsiguiente del metal. Estos análisis son la cualidad más valiosa de FLOW3D, ya que permite al usuario predecir defectos como: pliegues, puntos calientes, poros, defectos debidos a la degradación de la espuma, entre otros. Además, FLOW3D posee 2 modelos para simular la contracción del metal durante la solidificación, el primero basado en las ecuaciones de NavierStokes y el segundo es el modelo de contracción por solidificación rápida (basado en transferencia de calor), estos modelos permiten predecir porosidades por contracción en las piezas terminadas. A modo de ejemplo, la figura 4 ilustra 2 zonas de posibles defectos (áreas rojas) en una pieza metálica de fundición gris fundida en molde de arena. Figura 4. Simulación del proceso de fundición mediante con el programa FLOW 3D

Fuente: Dr. HOPPER, Jason y AFS LFC CONSORCIO. Datos experimentales. Ciudad: Editorial, año.

Entre otras ventajas, FLOW3D tiene la posibilidad de predecir micro porosidades que se generan al presentarse diferencias en los tiempos de solidificación en dos partes diferentes del modelo. También es posible predecir el aire atrapado en fundiciones donde el vaciado del metal se practica por gravedad, este modulo del programa permite estimar el aire atrapado durante la etapa de vaciado, el resultado de esta simulación son graficas de colores que indican en rojo la zonas donde se encuentra la mayor concentración de aire atrapado (figura 5)

45

Figura 5. Imagen obtenida para la simulación del proceso de fundición con FLOW3D

Fuente: FLOW 3D USER CONFERENCE. Advance Casting training. [En línea] México: El autor, 2007. [Consulta: Dic. 2009].

2.1.2 CastCae. Este es un software de simulación especializado en procesos de fundición, tiene la posibilidad de introducir los diseños provenientes de programas de modelación de sólidos (AutoCAD, Pro-Engineer, SolidWorks y Form-Z), con lo cual se pueden analizar con anticipación los defectos presentes en un nuevo diseño, antes de llevarlo a la etapa de fundición.

-

-

Características Genera una malla exacta y fiable al modelo proveniente del CAD Facilidad para entender los menús que guían a través del proceso de simulación Variedad de materiales y opciones de simulación Posible simulación del llenado por gravedad

-

Muestras las áreas de mayor concentración de defectos y la distribución de temperaturas mediante una animación del llenado del molde

-

Tiene varios paquetes básico, avanzado.

Inicio,

46

Beneficios Solución exacta a los problemas de fundición. Tiempos de simulación más cortos.

Economizar energía en la empresa manufacturera. Los resultados son gráficos (pueden verse en Macintosh o Windows 3.1, 95/NT y UNIX)

La figura 6 muestra un resultado de la animación con CastCae. En ella se ilustra la distribución de temperatura y los defectos en una escala de colores el azul representa micro porosidades y el verde muestra posibles rechupes. Figura 6. Simulación es CastCae

2.1.3 PAM-quik cast. Originalmente fue desarrollado en 1985 para las empresas especializadas en fundición de aluminio, bajo el nombre de SIMULOR. PAM-QUIKCAST es un programa que también sirve para predecir defectos presentes en el proceso de fundición y evitar problemas en el momento de producir las piezas. Este es un software que trabaja con diferencias finitas, en el cual es posible simular formas complejas con una resolución de malla muy alta, en la figura 7 se puede apreciar uno de los módulos del programa, en el cual se puede hacer análisis de solidificación. PAM-QUIKCAST resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes en tres dimensiones junto con ecuaciones de conservación de Entalpía. Se pueden simular la mayoría de proceso de fundición desde la fundición en arena hasta la fundición de alta presión en molde metálico. Figura 7. Simulación de la solidificación de un bloque de motor con el programa PAM-QUIKCAST

47

2.2 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA PARA LA SIMULACIÓN La fundición por el proceso LFC se conoce por ser un proceso en el cual la geometría de la pieza a fundir es generada por un modelo de espuma, generalmente poliestireno, que se introduce dentro del recipiente de arena de moldeo. Cuando el metal líquido es vaciado dentro del molde la espuma es evaporada para darle espacio a éste. La velocidad de llenado de la cavidad es controlada principalmente por la velocidad de degradación de la espuma por parte del metal entrante y por la permeabilidad del recubrimiento refractario, puesto que al mantener una permeabilidad baja, los gases de degradación del modelo generan un espacio entre el metal entrante y la espuma que se presuriza disminuyendo la capacidad de transferencia de calor del metal y a su vez la velocidad de vaciado. En LFC la espuma ocupa la cavidad ofreciendo resistencia al flujo de metal. El momentum inherente al movimiento del metal juega un papel muy pequeño en LFC. En la simulación con Flow 3D la espuma es representada con una frontera u objeto que restringe el paso del metal por los conductos de la cavidad a menos de que se caliente para perder su fuerza. En tal sentido, el fenómeno del movimiento del metal es controlado esencialmente por mecanismos de transferencia de calor y no por la presión o inercia que genera el metal entrante. El objetivo primordial al analizar el proceso LFC mediante simulación, es encontrar los parámetros adecuados de proceso para controlar las velocidades de llenado que presenten los menores defectos en los resultados de la simulación. La implementación de un software de simulación, como Flow3D, permite usar métodos y subrutinas ya parametrizadas y con modelos matemáticos que representan todas las variables del proceso LFC y permiten analizar la degradación de la espuma. Sin embargo, un reto importante en el proceso de simulación es definir las características de la espuma para que el software reconozca que esta desaparece durante el vaciado del metal. Una de las ventajas del software utilizado es que facilita la representación de la espuma dentro del molde de arena, puesto que permite definir las características de la arena como un objeto que permanece durante toda la simulación y las características de la espuma como un objeto que desaparece conforme el metal ingresa. Para realizar esta parametrización del proceso LFC deben ser usados modelos predefinidos por FLOW 3D, los cuales se parametrizan con las propiedades de cada problema especifico. A continuación se describen los modelos usados en el presente trabajo y la fundamentación teórica que usa Flow 3d para realizar los cálculos y aproximaciones en la simulación. 2.2.1 Generalidades de los Modelos matemáticos usados en CFD. Como se ha mencionado anteriormente el fenómeno fisicoquímico que rige y controla en gran medida el proceso LFC es la degradación de la espuma cuando entra en contacto en el metal fundido. Este fenómeno hace que se presenten una serie de particularidades en el análisis termodinámico. En la figura 8 se observa un

48

ejemplo a modo ilustrativo del fenómeno de degradación en el proceso LFC, en esta figura se puede apreciar que el metal fundido que entra va degradando la espuma; no es necesario que el metal toque la espuma para que se genere la degradación, aparentemente la espuma se degrada por fenómenos de radiación y convección, Según Mirbagheri et.al 28, lo cual crea un espacio entre el metal fundido entrante y la espuma sólida, este espacio se llena de gases que se presurizan y pueden llegar a generar defectos en la pieza fundida. Figura 8. Ilustración del proceso de degradación de la espuma en el proceso LFC

Fuente: CALCOM SA. Understanding the Lost Foam Casting Proces. [En línea] s.p.i. [consulta: Nov. 2009].

El fenómeno es bastante complejo, ya que parte de la masa de espuma que se degrada es eliminada a través de una de las fronteras en forma de gas y parte se convierte en carburos quedando embebida en el material metálico; se complica aún más el problema cuando se introducen las variables metalúrgicas. Son muchas las variables del proceso, a continuación se nombraran algunas de estas (ver tabla 5) Tabla 5. Variables del proceso y requeridas para la simulación del proceso LFC

-

Variables del proceso Variables para la Simulación Temperatura de degradación de - Coeficiente de transferencia de la espuma calor metal espuma Masa espuma - Conductividad térmica metal (liquido y sólido) Densidad espuma - Conductividad térmica del Masa metal conjunto arena – recubrimiento Densidad del metal - Coeficiente de transferencia del Temperatura de vaciado calor arena Temperatura arena - Viscosidad del metal Velocidad de vaciado

28

MIRBAGHERI, S.M.H. ; SERAJZADEH, S. ; VARAHRAM, N y DAVAMI, P. Modelling of foam degradation in lost foam casting process. En: Materials & design. Vol. 27, no. 2, (2006); p. 115-124.

49

Las variables mencionadas en la tabla 5 son las más críticas, porque intervienen en la calidad de la pieza terminada y en el fenómeno de degradación de la espuma. El modelo matemático de la degradación de la espuma ha sido estudiado a fondo por otros investigadores y se ha planteado que los coeficientes de degradación de la espuma dependen del tipo, densidad y temperatura de degradación de la misma. S.M.H. Mirbagheri estudia a fondo y registra experimentalmente el fenómeno de espacios gaseosos entre el metal fundido y el modelo de espuma en el momento del vaciado. El objetivo de este trabajo, es obtener la presión y el volumen de gas presentes en el espacio gaseosos entre el metal y la espuma de PS, durante el vaciado en estado transitorio. Una primera ecuación denota el volumen del espacio entre el metal fundido y la espuma en el momento del vaciado del metal

Vgap = K GH × Vm

Ec. 1

Donde: VGAP: es el volumen del espacio que se genera entre el metal fundido y la espuma sólida en el momento de del vaciado. KGH: Coeficiente de altura de brecha es función del recubrimiento y del metal utilizado KGH= 4 – 4.5 para aleaciones con alto punto de fusión. 2 – 3 para aleaciones con bajo punto de fusión. VM: es el volumen del metal fundido que entra al molde. El volumen de gas en el espacio de gas entre el metal y la espuma esta dado por:

Vgas = K FGC × (Vgap + Vm ) × ρ s

Ec. 2

KFGC: capacidad de gasificación de la espuma, f (densidad espuma, tipo de espuma, temperatura de degradación), para un EPS con densidad igual a 0.014 g/cm3 el KFGC es igual a 300 cm3/g La presión en el espacio entre el metal fundido y la espuma vienen dada por: 2 Pgap = Pint × VGAS × ( K P × e m × Vgap ) −2 con 1000 < T ≤ 1500 º C 1.2

50

Ec. 3

Donde PGAP es la presión en el espacio de aire entre el metal y la espuma, PGAP es función de VGAP y viene dada por una modificación de la ecuación de gas ideal. PINT es la presión del estado inicial, Kp es la permeabilidad del recubrimiento refractario, e es la relación del espesor del recubrimiento refractario y el espesor mínimo del molde, m = 0.51 para e > 1mm y m = 1.2 para e <= 1mm. Ahora bien el volumen de espuma quemado esta dado por la siguiente relación:

Ved = K GH × Vm

Ec. 4

Además del fenómeno de degradación de la espuma, el proceso LFC depende de las condiciones de flujo de metal a través del modelo, este fenómeno de flujo de fluido durante el llenado de molde es básicamente un problema de flujo transitorio con una interfase metal espuma que presenta una frontera móvil. Las ecuaciones gobernantes sobre el fenómeno de flujo de fluido son las siguientes: -

Función de superficie libre

Ec. 5 -

Ecuación de transporte de momentum

Ec. 6 -

Ecuación de Balance de Energía

-

Ecuaciones de continuidad

Ec. 7

Ec. 8

51

En el trabajo de S.M.H. Mirbagheri las ecuaciones de continuidad, momentum, intercambio de calor y superficie libre son utilizadas en la simulación combinándolas con el método de elementos finitos, el cual tiene 4 pasos: i. ii. iii.

iv.

Discretización del sistema Aproximación por diferencias finitas de las ecuaciones que rigen el fenómeno. Determinación de los flujos de masa a través de las fronteras del sistema y de las celdas del modelo. Cálculo de la presión y el volumen en los espacios gaseosos. Solución semi-explicita de las ecuaciones de momentum y transferencia de calor para calcular el perfil de velocidad y el campo de temperatura del sistema.

El análisis del trabajo de diferentes autores permitió identificar que los fenómenos inherentes a la transferencia de calor durante el vaciado son los que rigen y controlan la velocidad de vaciado y generan un adecuado o mal resultado en la pieza fundida por LFC. Un esquema más detallado del fenómeno termodinámico para el proceso LFC está descrito en la figura 9. La misma muestra el estado inicial donde la espuma se encuentra dentro de la arena de fundición, se muestra un estado donde se inicia el vaciado y el metal entra en contacto con la espuma, también se muestra una división del sistema de análisis en 3 subsistemas: i. ii. iii.

Metal fundido Gases de combustión Espuma

Figura 9. Ilustración sobre el fenómeno termodinámico en el proceso LFC

52

Entendiendo la fenomenología del proceso LFC se encuentra que son requeridas las propiedades térmicas de los componentes que intervienen en la simulación, en búsqueda de iniciar la parametrización de los modelos seleccionados en el software para el análisis del proceso LFC, se identifican las variables que se muestran en la tabal 10 como las más relevantes para el análisis, para las mismas fue definido un valor según los registros tomados en la Planta de Cobral Ltda. En el capítulo 3 es mostrado un análisis previo del proceso LFC dentro de la planta de Cobral Ltda., del mismo se extrajeron las variables requeridas para la simulación y que más adelante se presentan. 2.2.2 Ecuaciones Gobernantes en Flow 3D. Flow 3d es un software de uso general para el análisis de fluidos mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Éste usa técnicas numéricas especialmente desarrolladas para resolver ecuaciones de movimiento de fluidos para obtener soluciones transitorias, tridimensionales y problemas de flujo con una fenomenología compleja (flujo newtoniano o no newtoniano, compresible o no compresible, transferencia de calor, transferencia de masa, entre otros). En el software una matriz de modelos físicos y numéricos permite que el código pueda ser aplicado a un sin número de problemas de flujo y transferencia de calor. Típicamente una simulación numérica comienza con una malla computacional, la cual está compuesta por un número de elementos interconectados llamados Nodos, que a su vez forman celdas interconectadas. Las celdas dividen el espacio de análisis en pequeños volúmenes con nodos asociados a cada volumen. Los nodos son usados para almacenar valores desconocidos como presión, temperatura y velocidad del fluido. La malla es efectivamente el espacio numérico que remplaza el espacio físico original del fenómeno a simular. Ésta provee la forma para definir los parámetros del flujo en las localizaciones discretas, definir las condiciones de frontera y desarrollar las aproximaciones de las ecuaciones de movimiento del fluido. En el caso de Flow 3D el dominio de análisis o espacio numérico es dividido en una malla de celdas rectangulares o en una malla de celdas cilíndricas (Figura 10). La selección de uno de los dos sistemas depende de la configuración del fenómeno a analizar y sobretodo de cómo el flujo se moverá a través de la malla. Figura 10. Mallas en Flow 3D. a. malla en coordenadas rectangulares y b. malla en coordenadas cilíndricas

53

Las mallas rectangulares son relativamente fáciles de generar y almacenar debido a que son desarrolladas en coordenadas rectangulares. Un tamaño de malla no uniforme entrega mayor flexibilidad cuando se requieren análisis de flujos complejos. Las celdas son numeradas de manera consecutiva usando tres índices: i en la dirección X, j en la dirección Y y k en la dirección Z. De esta manera cada celda en un arreglo tridimensional puede ser identificada con una única dirección (i,j,k), similar a las coordenadas de un punto en el espacio. Asimismo, el arreglo rectangular permite que la malla discretise efectivamente el espacio físico a analizar, igual que los valores para los parámetros de fluido que son representados en la malla por un arreglo matricial de valores discretizados. La configuración rectangular de las mallas tiene ventajas adicionales en la facilidad que se genera al desarrollar métodos numéricos, puesto que de la transparencia del método numérico con respecto a su relación con el problema físico depende la correcta solución de la simulación. Igualmente, la precisión y estabilidad de los métodos numéricos seda con mayor facilidad en coordenadas rectangulares. Los viejos algoritmos numéricos fueron desarrollados originalmente en este tipo de mallas. El método de diferencias finitas es basado en las propiedades de la expansión de Taylor y en la aplicación directa de la definición de derivadas. Éste es el más viejo de los métodos usado para dar solución numérica a ecuaciones diferenciales, el mismo fue aplicado por primera vez por Euler en 1768. El método de volúmenes finitos se deriva directamente de la forma integral de las leyes de conservación para el movimiento de fluidos, por lo tanto incluye las características de conservación. Los anteriores forman la estructura del método numérico que incluye Flow 3D Flow 3d puede funcionar en un sin número de modos correspondientes a la condiciones del fluido a analizar. Un modo es para situaciones de fluido compresible, mientras que otro es para fluido netamente incompresible. En el último caso, la densidad y energía del fluido puede ser asumida constante y no tiene que ser calculada. Además, existe la posibilidad de analizar problemas de uno o dos fluidos. Igualmente pude ser incluida una superficie libre en los problemas de un fluido incompresible. Los anteriores modos corresponden a diferentes opciones para las ecuaciones gobernantes que describen el movimiento del fluido. La superficie libre existe en sin número de casos de análisis, es una ventaja poder usar esta 0consideración en el software Flow 3D ya que el espacio de gas adyacente al fluido, en la realidad, es despreciado y para el análisis numérico es remplazado por un espacio vacío (Libre de masa) pero que conserva una presión y temperatura uniformes. Dicho acercamiento tiene como ventaja reducir el esfuerzo de cómputo en la solución, ya que en la mayoría de los casos analizados el movimiento y comportamiento del gas influye de manera insignificante sobre el movimiento del líquido que es más pesado.

54

Entonces, la superficie libre se convierte en uno de los límites externos del fluido, por tanto la definición de las condiciones de frontera se hace muy importante para la misma. El método de Volumen del Fluido (VOF) es empleado por Flow 3D para este propósito. El mismo consiste en tres componentes básicos: la definición de la función de fluido, un método para resolver la ecuación de transporte VOF y la parametrización de la condición de frontera en la superficie libre. Para introducir la metodología de computo y modelos utilizados en la simulación son expuestas a continuación las ecuaciones que gobiernan el modelo Flow 3D. Ecuación de Continuidad de masa La ecuación general de continuidad de masa es

Ec. 9 3.1 Donde VF es la fracción de volumen abierta al flujo, ρ es la densidad del fluido. RDIF es el término de difusión turbulenta y RSOR es la fuente de masa. La componentes de velocidad están en coordenadas (x, y, z) o (r, θ, z). A es la fracción de área abierta al flujo en las distintas coordenadas. El coeficiente R depende de la selección del sistema de coordenadas de la siguiente manera. Cuando las coordenadas cilíndricas son usadas, la derivada de y es convertida en una derivada asimutal

Ec. 10 3.2 El primer término de la derecha en la ecuación 9 es el término de difusión turbulenta

Ec. 11 3.4 Donde el coeficiente υp es igual a cpµ/ρ , en el cual µ es el coeficiente de difusión del momentum ( por ejemplo la viscosidad) y cp es una constante cuyo reciproco es usualmente asignado como el numero de turbulencia de Schmidt. Este tipo de difusión de masa solo se da en procesos donde el fluido no tiene densidad uniforme. El ultimo termino, RSOR en le lado derecho de la ecuación 9 es el termino de densidad que puede ser usado, por ejemplo, para modelar inyección de un fluido a través de una superficie porosa.

55

Los problemas de flujo compresible requieren una solución completa del la ecuación de transporte. Para fluidos incompresibles, ρ es constante y la ecuación general de transporte de masa es reducida a

Ec. 12(3.6) Ecuaciones de energía Para fluidos compresibles o problemas de fluido donde se piense analizar la fenomenología térmica la ecuación manejada es

Ec. 13(3.20) Donde I es la mezcla macroscópica de la energía interna. Para problemas de dos fluidos Ec. 14(3.21) Donde F es la fracción de volumen del fluido #1 y los índices indican las cantidades relacionadas para el fluido #1 o el fluido #2 Estructura de la ecuación de temperatura. Si la opción de transferencia de calor es seleccionada el software, las temperaturas dinámicas y la transferencia de calor serán evaluadas por Flow 3D. la ecuación más general para dar solución a estructura térmica del problema es

Ec. 15(3.37) Donde Tw es la temperatura del sólido, ρw, Cw, y kw son los valores de densidad, calor especifico y conductividad térmica para el sólido y TSOR es el término de energía específica aportada por fuentes externas y la contribución de la transferencia de calor del líquido. Algunos obstáculos o fronteras pueden ser tratados por modelo Lumped Temperature Model. En este caso se asume que el objeto tiene una temperatura constante y es eliminado el término de conducción térmica.

Ec. 16(3.38) Donde Mw es la masa del objeto y ITSOR es el término integrado de la fuente de energía.

56

Conducción y transferencia de calor Los términos de transferencia y conducción de calor aparecen en la ecuación de energía, Ecuación 13 y la ecuación de temperatura de sólido, ecuación 15. Estos términos son tratados de manera análoga por Flow 3D incluyendo dos formulaciones implícitas opcionales para eliminar los limites asociados a la estabilidad del tiempo de paso. Esta aproximación es incluida porque hay ocasiones donde existe gran diferencia entre en las escalas de tiempo asociadas a los procesos termales y del movimiento de fluido. Particularmente en fluidos cuasi estáticos. La aproximación usada es la siguiente, que es estrada de la ecuación 13

Ec. 17 3.239) Donde TDIF representa la conducción térmica con el fluido, HADT es la transferencia de calor entre el fluido y un sólido adyacente y X representa los términos restantes de la ecuación 13 A continuación se muestran las relaciones en diferencia utilizadas por FLOW3D para aproximar la ecuación (3.239). Es usado un espacio de tiempo adelantado y aproximaciones de primer orden para el flujo de energía

Ec. 18(3.240) Donde T representa la temperatura del fluido, TW la temperatura del sólido, h el coeficiente de transferencia de calor, WA el área interfacial, A el área de la cara en cada celda, k el coeficiente de conductividad térmica y ∆ el incremento en el espacio. Todos los términos del lado derecho en la ecuación 18 son evaluados en el paso de tiempo anterior tn, lo anterior significa que una aproximación explicita es usada para el flujo de calor. Calor de transformación La energía es asumida como una función linear de la temperatura Ec. 19 (3.22) Donde CV1 es el calor específico en el volumen constante del fluido #1, fs es la fracción de sólidos, y CLHT1 es el calor latente. El calor latente es asociado con la fusión o enfriamiento del fluido #1, el mismo es definido de 2 formas.

57

El método simple consiste en especificar la temperatura de sólidos, TS1, la temperatura de líquido, TL1 y la energía especifica de la transformación de fase que ocurre entre estado temperaturas. Es este caso el calor latente es se comporta de manera linear con la temperatura desde TL1 hasta TS1 Sin embargo, en la mayoría de los materiales este no es el caso. Además, es posible que algunos materiales tengan cambios de fase en estado sólido; es decir, al enfriarse, estos logran estados cristalinos más estables que varían el calor de transformación con cada cambio de fase. El segundo método consiste en encontrar la relación entre la energía específica contra la temperatura para cada material. La tabla consiste en un par de números CLTP(L) y CLHT(L), donde CLTP(L) es la temperatura del punto L y CLHT(L) es la energía total entre la temperatura CLTP(L-1) y CLTP(L) como es mostrado en la figura 11. CLHT(1) es la energía especifica en CLTP(1). Las temperaturas pueden ir ascendiendo monotónicamente con el incremento de L. Figura 11. Ejemplo Energía vs. Temperatura que muestra el cambio de fase

Fuente: FLOW-3D®. Training Class, lecture 1. User Manual. USA: Flow 3D, 2007. p. xx

Las temperaturas CLTP(L) pueden incrementar monotonicamente con el incremento de L, aunque sea permitido tener discontinuidades en el cambio de fase asignado el mismo valor a dos valores consecutivos en la tabla de temperaturas. La última temperatura debe ser equivalente a la TL1 o bien TL1 puede ser entrada explícitamente y debe ser mayor que la ultima CLTP(L). Ecuaciones de Momento Evaluación de viscosidad La viscosidad dinámica, µ, puede ser asignada como una constante molecular para cada fluido en problemas de uno o dos fluidos. En celdas donde exista una mezcla de ambos fluidos, la viscosidad es evaluada como una fracción promedio de los valores constantes.

58

En problemas de un fluido, el fluido puede consistir de dos componentes con densidad y viscosidad constantes cada uno. En este caso la viscosidad de mezcla de fluido es evaluada como un promedio de las dos constantes en la fracción de fluido. Igualmente, la viscosidad del fluido puede ser función de la fracción de sólidos en el fluido fluidos parcialmente solidificados. Cuando la opción de análisis de la turbulencia esta activada, la viscosidad es la suma de los valores moleculares y turbulentos de la viscosidad. Para fluidos no newtonianos la viscosidad es una función del esfuerzo y/o la temperatura. Caso en el cual es utilizada una expresión genérica basada en el modelo de "Carreau" para viscosidad dependiente del esfuerzo

Ec. 20

(3.12)

Donde

Ec. 21(3.13) Es el tensor de la rata de esfuerzo del fluido en notación cartesiana, µ∞, µ0, λ0, λ1, λ2 , n son constantes

Ec. 22(3.14) T*, a, b y c son constantes y T es la temperatura del fluido. Superficies libres e interfases de fluido. Las configuraciones del fluido son definidas en términos de la función de ¡Volumen de Fluido (VOF) 29]. Esta función representa el volumen del fluido #1por unidad de fluido y satisface la ecuación mostrada a continuación

Ec. 23(3.18) Donde

Ec. 24(3.19)

29

FLOW-3D®. Training Class, lecture 1. User Manual. USA: Flow 3D, 2007. p. xx

59

El coeficiente de de difusión es definido como υF = cFµ/ρ, donde cF es una constante cuyo reciproco es definido algunas veces como el numero turbulento de Schmidt este término de difusión solo toma sentido para la mezcla de fluidos por turbulencia cuya distribución es definida por la función F. el termino FSOR corresponde a la fuente de densidad RSOR en la ecuación 9. FSOR es la porción de tiempo del cambio en la fracción de volumen del fluido #1 asociado a la fuente total para el fluido #1. La interpretación de F depende del tipo de problema a resolver. En problemas de fluido incompresible donde se involucra un fluido y una superficie libre, Representa la fracción de volumen ocupada por el fluido. Mientras el fluido exista F = 1 y los espacios vacíos son lugares donde F = 0, estos espacios son regiones sin fluido que tienen presión uniforme y se interpretan como regiones de vapor o gas que tienen una densidad insignificante respecto a la del fluido. 2.2.3 Métodos para las aproximaciones numéricas. La solución de las ecuaciones diferenciales que describen el movimiento del fluido en Flow 3D se da usando aproximaciones de Diferencias Finitas o de Volúmenes finitos. Las regiones del fluido son divididas en celdas rectangulares dentro de la malla. Con cada celta hay asociado un promedio de valores para las variables dependientes. Como es explicado a continuación, todas las variables están localizadas en el centro de celda exceptuando la velocidad que se ubica en la cara de cada celda. Obstáculos, fronteras y otras características geométricas están descritos por la malla con la definición de áreas y volúmenes fraccionados de las celdas que están abiertas al flujo. Esto es explicado mediante el método FAVORTM 30 a continuación. La mayoría de los términos en las ecuaciones son evaluados explícitamente, aunque también existen varias opciones implícitas. Lo anterior crea un esquema numérico simple y eficiente para la mayoría de los casos de análisis, sin embargo la precisión y estabilidad están limitadas por el tamaño del tiempo de paso entre iteraciones. Una excepción importante a lo anterior se da durante el análisis de problemas de baja velocidad en fluidos incompresibles. En éste caso el modelo permite para el cálculo de la presión un tratamiento implícito especial debido a que las presiones y velocidades están implícitamente ligadas en las ecuaciones de momento y en la ecuación de continuidad. La formulación semi-implícita de las ecuaciones de diferencias finitas permite una solución eficiente en Flow 3D, se utilizan 2 técnicas para lo anterior. La más simple es el método SOR (successive over-relaxation). Y la segunda, método de la línea implícita (SADI), se usa donde se requiere un método más implícito en la solución. Ambos métodos son descritos a continuación

30

the FAVOR(TM) method [1]). No entiendo esta cita

60

El método numérico básico usado en Flow 3D tiene una exactitud del primer orden con respecto a los incrementos del tiempo y el espacio. Cuando la malla de diferencias finitas es no uniforme deben tenerse precauciones especiales para mantener el grado de precisión del modelo, por tanto aproximaciones de segundo orden están disponibles en el código. 2.2.3.1 Método de las diferencias finitas y los volúmenes finitos. Una de las técnicas más empleadas en fluido dinámica computacional ha sido la de diferencias finitas. Esta fue una de las primeras en aparecer y conserva vigencia a pesar de algunas restricciones propias de la técnica. Su alta eficiencia para la resolución de problemas definidos en geometrías sencillas lo hace muy atractivo y es muchas veces la mejor opción cuando existe la posibilidad de mapear el dominio real en otro completamente regular y estructurado. Su definición se basa en aproximar los operadores diferenciales por otros denominados operadores en diferencias que se aplican a un vector de datos que representa la solución en un conjunto finito de puntos en el dominio. El procedimiento básico para avanzar una solución con un incremento a tiempo, δt, consiste en tres pasos: i.

Las aproximaciones explicitas de las ecuaciones de momento, son usadas para el cálculo del valor de velocidad en el siguiente nivel usando las condiciones iníciales o el valor del nivel de tiempo anterior para todas las presiones y otras aceleraciones ii. Para satisfacer la ecuación de continuidad, ecuación 9, cuando es usada la opción implícita, las presiones son ajustadas iterativamente en cada celda y los cambios de la velocidad generado por el cambio de presión se añaden a las velocidades computadas en el paso 1. La interacción es requerida porque el cambio de presión en una celda trastornara el equilibrio en las 6 celdas adyacentes. iii. Finalmente, cuando hay una superficie libre o una interferencia con toro fluido, debe ser usada la ecuación 23 para dar la nueva configuración del fluido. La repetición de los pasos anteriores permitirá llegar a la solución para el intervalo de tiempo que se desee. Claro que en cada paso de tiempo las condiciones de frontera deben ser ajustadas para la malla, obstáculo o superficie libre.

Figura 12. Ilustración de la celda y el volumen de control de diferencias finitas

61

Método VOF (Volumen de Fluido) El método VOF es basado en la aproximación de “Donante - Receptor” introducida por Hirt y Nichols31. Dicho método usa un operador de partición (Operador Splitting) y los valores del anterior nivel de la función VOF para calcular los flujos en las 3 coordenadas. La función de fracción de fluido F es definida en 1 si la celda tiene fluido o en cero si la celda no lo tiene. La figura 13 muestra una aproximación cuando el fluido tiene una mezcla. Figura 13. Ilustración método VOF

El volumen de fluido en un celda es definido por

Ec. 25 La ecuación cinemática para la función F en ausencia de masa es

Ec. 26 Donde Vf y A=(Ax,Ay,Az) son el volumen y las fracciones de área que describen el flujo, U=(U,V,W) es la velocidad de flujo. 31

HIRT, C.W. y NICHOLS, B.D. Volume Of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. En: Journal Computational Physics. Vol. 39, (Ene. 1981); p. 201-225.

62

El método VOF tiene las siguientes funciones • • •

Es un algoritmo para el fluido advectivo Calcula la advección del fluido en las celdas vecinas basado en la orientación del fluido en la celda No calcula las condiciones en la región vacía, usa a las condiciones de frontera de presión y velocidad

2.2.4 Métodos usados por Flow 3D32 FAVOR El uso de la herramienta FAVOR permite describir las superficies que interfieren con el movimiento del flujo dentro de la malla definida en cada problema33. El método FAVOR también es utilizado para calcular la transferencia de calor interfacial entre el obstáculo y el flujo de metal. Se debe tener cuidado al resolver áreas del modelo donde el fluido tenga superficies discontinuas y áreas internas como agujeros, escalas y cambios de sección. Una interpolación linear de la temperatura entre cada celda y la posición de la interfase metal-molde es usada para obtener las temperaturas del molde y del metal en las interfases34. Estas temperaturas son usadas luego para calcular el flujo de calor en la interfase (Eq 27).

q = hWA (Tw − T )

Ec. 27Ec. 1

Donde, el coeficiente de transferencia de calor al fluido, h, puede ser especificado por el usuario o evaluado por funciones de correlación basadas en condiciones locales. En la Ec. 27, T es la temperatura de la superficie del fluido, WA es área superficial del obstáculo y TW es la temperatura superficial de obstáculo. La temperatura interfacial es obtenida asumiendo un perfil lineal de la temperatura entre la interfase y las celdas cercanas en la dirección normal a la interfase. Este procedimiento proporciona un efectivo coeficiente de transferencia de calor (heff ) entre ambos lados de la interfase. k1k 2 a1a 2 = k k  k k h  1 + 2  + 1 2 a a a1 a 2 2   1 h

h eff

Ec. 28

32

FLEMINGS, M.C. Solidification Processing. New York: McGraw-Hill, 1974. p. xx HIRT, C.W. y SICILIAN, J.M. A Porosity Technique for the Definition of Obstacles in Rectangular Cell Meshes. En: Proc. Fourth International Conf. Ship Hydro. Washington: National Academy of Science, 1985. p. xx 34 HIRT, Volume Of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries, Op. Cit., p. 201-225. 33

63

Donde 1/h es la resistencia térmica de la interfase (definida por el usuario), k1 y k2 son los coeficientes de conducción térmica del fluido y el obstáculo, respectivamente, y a1 y a2 son las distancias de la interfase a la celda más cercana en el fluido y el obstáculo, respectivamente. La Ec. 27 implica que la transferencia de calor neta está limitada por la resistencia térmica más pequeña entre el fluido, el obstáculo y la interfase. Los términos conductivos en las ecuaciones de energía del fluido y el obstáculo son también modificados en las celdas interfaciales para contar con una mayor precisión en los gradientes de temperatura en las celdas parcialmente bloqueadas por un obstáculo. Si el coeficiente de transferencia de calor no es definido para el análisis, entonces éste es evaluado por el código usando expresiones analísticas o empíricas simples para un flujo sobre una placa. Las condiciones de flujo cerca de la pared de cada volumen de control son correlacionadas con alguna de las siguientes situaciones: Convección natural, convección laminar o turbulenta forzada y conducción con el fluido. Entonces, el coeficiente de transferencia de calor es obtenido según la cercanía del proceso o situación analizada a uno de los tres fenómenos de transferencia. Es importante tener en cuenta que el resultado del valor de h en cada volumen de control refleja las condiciones de transferencia de calor en la capa de fluido entre la pared y el centro del volumen de control (celda) analizado en cada paso. La resistencia térmica de la interfase fluido u obstáculo. La resistencia térmica de la interfase de contacto entre 2 materiales, es decir, fluido y pared del obstáculo, representada en Eq 29 por el coeficiente de transferencia h, es en gran medida función de las propiedades superficiales de los dos materiales, como rugosidad y el tamaño del espacio entre ambos. En problemas de fundición de metal puede ser una función de la temperatura y la fracción de fluido presente durante el vaciado del metal. En el modelo utilizado por Flow-3D, este último caso es calculado usando una relación lineal entre el coeficiente transferencia de calor y la fracción sólida F, así:

h = Fs ⋅ HOBSIS(n) + (1 − Fs ).HOBSI(n)

Ec. 29

Donde, HOBS1(n) y HOBS1S(n) son los coeficientes de transferencia de calor definidos para el metal líquido y el metal sólido, respectivamente. n es el componente del modelo descrito por dichos coeficientes. Típicamente, HOBS1S(n) es mucho menor que HOBS1(n) porque el contacto entre las paredes del modelo y el liquido es mucho mejor que el contacto con el materia sólido.

64

Interpretación geométrica con el FAVOR A su vez el método interpreta los componentes sólidos que intervienen en la simulación entregando una lectura de cómo la malla está representando las geometrías de cada componente. Mediante el uso del FAVOR el software almacena en cada paso de tiempo durante la simulación: -

Las fracciones de área en las caras de la celda

AF = -

VF = -

Area Abierta area del borde de la celda

Ec. 30

La fracción de volumen de cada celda

Volumen Abierto Volumen de la celda

Ec. 31

El área de transferencia de calor

El método FAVOR es muy poderoso pero limitado por la resolución de la malla computacional. Por ejemplo, el software genera las fracciones de área para cada cara en las celdas de la malla y determina cuales de las esquinas de estas caras rectangulares se encuentran dentro del la geometría y cuáles no. Si las cuatro esquinas de la cara están dentro del componente, la cara completa se define dentro del componente. La implicación de esta forma de representación es que si una pieza no cubre una celda en su mayoría, la porción que simplemente toque una esquina no será tenida en cuenta en la representación, por ejemplo. La figura 14 muestra un esfera que no es interpretada por el software debido a que no toca ningún esquina de alguna cara. Figura 14. Representación de la geometría de elementos en una malla por la herramienta FAVOR

65

Cuando algunas esquinas de la cara están dentro de un subcomponente y algunas están afuera, el software calcula la intersección del componente con los bordes de la cara. Las fracciones del área entonces se calculan de estos puntos de intersección asumiendo conexiones con líneas rectas entre los puntos de intersección dentro de la cara. Esta interpretación introduce un pequeño error en el área fraccionaria cuando el límite del componente se curva dentro de la cara. La representación es mejorada cuando el tamaño de la celda es reducido al máximo. Modelo de degradación de la espuma35 El modelo matemático usado para la simulación del proceso LFC se fundamenta en fenómenos de transferencia de calor más que en fenómenos de transferencia de masa y momentum. Por tanto, cuando el metal ingresa al volumen de control que contiene la espuma, el calor transferido desde el metal hasta la espuma es computado durante el incremento de tiempo específico. Dicha cantidad, es usada para calcular el volumen de espuma que fue degradado y gana la temperatura del metal. Cuando es calculada la cantidad de espuma degradada, es necesario incluir el Calor de Transformación para derretir y vaporizar la espuma. Así mismo, la energía transferida a la espuma es removida del metal. La conducción térmica dentro de la espuma es ignorada dentro del modelo, puesto que la velocidad con que se genera la transferencia de calor dentro de la espuma es mínima en comparación con la velocidad de degradación del la espuma. Se podría decir que el llenado de la cavidad por parte del metal se parece a un vertedero que permite el ingreso del metal a una velocidad impartida por la cantidad de espuma removida en cada volumen de control analizado. El vertedero es especificado en términos de los componentes de velocidad en la superficie del metal, que mantienen el metal moviéndose hacia la espuma mientras, la presión del frente de metal (presión metalostática) sea lo suficientemente alta. Entonces, la velocidad promedio del frente de metal (u) viene dada por la siguiente expresión:

u =

x eρ

Ec. 32 Ec. 4

Donde x, es el coeficiente de transferencia de calor metal/espuma, y eρ es el producto de la densidad por el calor especifico. Como se menciono antes, la permeabilidad del recubrimiento va relacionada con la calidad del proceso LFC. No obstante, el modelo usado no permite modelar el flujo de gas producido por la vaporización de la espuma. Con una permeabilidad insuficiente, el espacio de gas formado, entre la espuma y el 35

FLOW-3D®. Op. Cit., p. xx

66

metal, puede lograr una presión tan alta es capaz de devolver el metal hacia fuera del molde. Los efectos de la permeabilidad del recubrimiento están incluidos dentro del modelo usado para la simulación a través de la manipulación del coeficiente de transferencia de calor metal-espuma. Este razonamiento se fundamenta en que la velocidad de transferencia de calor esta proporcionalmente relacionada con el espesor de la región de gas formada entre el metal y la espuma, a menor permeabilidad del recubrimiento se genera un mayor espesor de la región de gas y por lo tanto la capacidad de transferencia de calor del metal a la espuma se ve reducida afectando el coeficiente de transferencia de calor. El efecto de la gravedad puede ser tomado en cuenta en el cálculo del coeficiente de transferencia de calor metal-espuma usando un coeficiente que describe el efecto de la gravedad en la transferencia de calor metal-espuma. Puesto que los productos de la degradación de la espuma usualmente son menos densos que el metal pueden ser desplazados por el frente de metal cuando van hacia abajo y acumularse en el mismo cuando van hacia arriba. Así, se cuenta con un menor espacio interfacial, entre el metal y la espuma, cuando el metal lleva productos de la degradación del modelo. Dicho efecto es descrito en el modelo haciendo el coeficiente de transferencia de calor metalespuma una función del componente de gravedad, GHT, normal al frente de metal.     GVEL h = HOBS .(1 + sign(GHT ) .CGFOB )    GVEL + HOBS1  RCOBS  

Ec. 33 Ec. 5

Donde, GVEL =

Ec. 34Ec.

GHT . ROUGH

HOBS es el coeficiente de transferencia de calor metal espuma, RCOBS es el producto de la densidad por el calor especifico ROUGH es la rugosidad definida para la espuma. Este parámetro describe las características de las irregularidades en la superficie en la interfase metal-espuma. Según la ecuación 5, el coeficiente de transferencia de calor entre el metal y la espuma es mayor cuando el metal se ubica sobre la espuma, por lo tanto es más fácil para el metal avanzar hacia abajo que hacia arriba. Un modelo simplificado puede ser usado para determinar el comportamiento del metal durante el llenado del modelo, localizando las posibles fuentes de defectos al identificar la convergencia de los frentes de metal. Dicho modelo, sin embargo no entrega ninguna información acerca de la temperatura o la distribución de velocidad, la superficie de concentración de defectos o solidificación.

67

Las consideraciones para el modelo son las siguientes: • •

Puesto que el llenado es controlado por la transferencia de calor, las condiciones de frontera de la entrada deben ser especificadas como condiciones de presión metalostática y no de velocidad. El fluido del metal no puede ser iniciado en zonas ocupadas por la espuma, debe iniciar como un bajante o ingreso metal que contenga aire.

Modelo de identificación de defectos Las propiedades mecánicas de las piezas producidas por cualquier tipo de fundición pueden depender en gran medida de la limpieza del metal fundido en lo que respecta a óxidos, carburos, aire y otro tipo de inclusiones no metálicas, que se presentan con facilidad durante el vaciado del metal36. En la fundición de metal es posible que las impurezas en la superficie del metal fundido queden atrapadas en la pieza mientras el metal es fundido al molde. Estas impurezas, finalmente, reducen la capacidad mecánica de las piezas. Por tal motivo es de importancia identificar este tipo de defectos con el análisis de simulación Generalmente en LFC las impurezas pueden provenir además de los residuos carbonosos después de la fusión y vaporización del modelo de espuma, puesto que si las superficies del metal se pliegan o chocan durante el proceso de llenado, cualquier impureza en la superficie del frente de metal quedará atrapada en el interior del metal. El modelo para predecir la superficie de concentración de defectos consiste en un término que predice la formación de oxido proveniente de la degradación de la espuma, que es proporcional al área y tiempo de exposición del frente de metal. En LFC la fuente de defectos es proporcional a la cantidad de espuma degradada. Por tanto una ecuación de transporte (ecuación 35) es usada para determinar el movimiento del material con defectos a través del flujo de metal. Esta es resuelta numéricamente usando segundo orden y un escenario que conserva la monotonía del sistema buscando mayor precisión. ∂C m  ∂Ci ∂Ci  ∂Ci  ∂Ci  ∂Ci ∂  ∂   = + +  uAx + vRAy + wAz  Ax Di  + R  RAy Di ∂t ∂x ∂y ∂z  ∂x  ∂x  ∂y  ∂y   ∂Ci  ∂  ∂C s  ∂C s  ∂  ∂C s  ∂ ∂   +  Az Ds  Az Di  +  Ax Ds  + R  RAy Ds  ∂z  ∂z  ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z 

VF ⋅

Ec. 35 36

Ec 7

BARKHUDAROV, M.R. y HIRT, C.W. Tracking Defects. En: Presented at the 1st International Aluminum Casting Technology Symposium. USA: s.n., 1998. p. xx

68

Donde, Cs y Cl son la composición de la fase sólida y líquida del metal, Dl y Ds son coeficientes de difusión másica en las fases líquida y sólida. Esto para un modelo de segregación y análisis del diagrama de fases de una aleación determinada. En el caso del la degradación de la espuma se realiza un trabajo sobre la ecuación cambiando las expresiones para incluir la fracción de óxidos de espuma. El termino Cm es la composición de la mezcla de las 2 especies involucradas en la reacción y es obtenida por el promedio de las 2 fases presentes.

C m = (1 − f s )Cl + f s C s

Ec. 36 Ec. 8

Con

Cs = PCOEF ⋅ Cl

Ec. 37 Ec. 9

Donde PCOEF es el coeficiente de partición37 [10], el cual es constante, por lo cual, para el caso de una aleación, las líneas de fase sólida y liquida en el diagrama de fases son rectas

Tl = TMELT − (TMELT − TL1).

C CSTAR

Ts = TMELT − (TMELT − TS1).

Ec. 38 Ec. 10

C CSTAR

Ec. 39 Ec. 11

Donde TS1 y TL1 son las temperaturas de sólido y líquido del metal en la composición inicial C=CSTAR. Si la composición y la temperatura del metal en el volumen de control son conocidas, entonces la fracción sólida puede ser computada usando las ecuaciones 36 a 39 con

fs =

T − Tl 1 . 1 − PCOEF T − TMELT

Ec. 40 Ec. 12

Con la fracción sólida identificada ya pueden ser computados los niveles de defectos durante el llenado, ya que es identificado por Flow-3D® el hierro frío en el flujo de metal y las posibles inclusiones. La difusión del oxido y las inclusiones de aire que son usualmente pequeñas, son ignoradas en la ecuación de transporte. Tampoco se incluye ningún efecto de la flotabilidad o de la fuerza que ejerce la película del óxido al metal. Pero se incluyen los fenómenos de adherencia de la película de oxido al molde y el escape del residuo gaseoso a través de las paredes del molde poroso de arena. 37

OVERFELT, T. The Manufacturing Significance of Solidification Modeling. En: J. Metals. (1992); p. 17-20.

69

Los residuos y defectos en LFC están controlados por la velocidad de degradación de la espuma, para el caso de análisis se determino un parámetro estándar conocido y utilizado por diferentes investigadores 38[, debido a que la determinación de este parámetro es complicada y requiere una investigación profunda para cada tipo de espuma. Entonces al introducir el parámetro de la velocidad de degradación del modelo de espuma, el software pudo determinar e interpretar como es la distribución de los probables defectos formados. La figura 15 muestra el resultado del análisis de identificación de defectos para el modelo de 3 hidrantes. Figura 15. Mapa de distribución de defectos en una pieza procesado por inyección de aluminio HPDC

El modelo no específica el tipo de defecto presente, pero es de fácil análisis determinar cual defecto es el predicho por el software, puesto que en LFC los residuos de la espuma que permanecen adheridos al molde durante el vaciado generalmente son del tipo de grafito brillante. Los que viajan con el frente de metal pueden ser gases de la degradación y carbonos del modelo atrapados por el frente de metal. Modelo solidificación, contracciones y porosidad Además de los defectos presentes en la etapa de llenado del molde, durante el proceso de solidificación pueden presentarse un gran número de irregularidades y defectos en las piezas solidificadas, tales como: contracciones, porosidades por contracción, grietas, deformidad, entre otros. Una de las ventajas del software Flow-3D® es que puede ser usado para el modelamiento de una cantidad de procesos de fundición como LFC, Die casting de alta presión, fundición por gravedad, fundición centrifuga y fundición squeeze. Teniendo como aplicación la modelación de las contracciones volumétricas durante la solidificación, que son una causa común de los defectos de porosidad que conducen a unas características mecánicas pobres en la pieza fundida. Por tanto, el modelo usado es una herramienta que proporciona una manera eficiente y rentable para diseñar un proceso que reduzca al mínimo la aparición de estos defectos.

38

MIRBAGHERI, Op. Cit., p. 115-124.

70

La porosidad en el metal solidificado ocurre como resultado de la evolución del gas así como los cambios volumétricos (contracciones) durante la fase de transformación. Fueron utilizados dos modelos incomparados en el software que permiten predecir la formación de macro porosidad en el metal debida a las contracciones. El primer modelo incluye la solución de un sistema completo de ecuaciones hidrodinámicas. Como resultado, pueden ser encontradas la evolución de la velocidad y la presión en el metal solidificado. Las ecuaciones de continuidad y energía son modificadas para incluir los términos volumétricos. Éstos son definidos por la velocidad de solidificación y la diferencia de densidad sólido-líquido. La base del modelo radica en que el material se contrae cuando esta solidificando, e induce a la generación de una tensión en forma de presión que atrae al líquido circundante a remplazar el volumen perdido por la contracción. Si el líquido circundante está confinado y no puede fluir, la presión continuará aumentando con la contracción hasta que se alcanza la presión crítica. En este punto, una cavidad por contracción se abre. La presión crítica se puede relacionar con la presión típica en la cual los gases disueltos salen de solución.

VF ⋅

ρuA X ∂ρ ∂ ∂ ∂ + ( ρuA X ) + R ( ρvA y ) + ( ρwAZ ) + ξ = R DIF + R SOR Ec. 41 Ec (10) ∂t ∂x ∂y ∂z x

Donde VF es la fracción volumétrica abierta al flujo, ρ es la densidad del fluido, RDIF es un término de difusión turbulenta, y RSOR es la fuente de masa. Las componentes de velocidad (u, v, w) están en dirección de coordenadas (x, y, z) o (r, θ, z). Ax es la fracción de arrea abierta al flujo en dirección x, Ay y Az son fracciones de área similares para el flujo en direcciones “y” y “z”, respectivamente. El coeficiente R depende de la elección del sistema de coordenadas. El anterior modelo, a pesar de ser una herramienta exacta para estudiar los fenómenos de la formación de la porosidad, puede ser muy costoso en tiempo computacionalmente hablando, ya que en cada paso de tiempo el algoritmo debe realizar la solución completa de las ecuaciones del momentum y energía. Además el paso de tiempo es muy pequeño en comparación al tiempo de solidificación del molde. El segundo, modelo simplificado de contracciones, se basa solo en la solución de las ecuaciones energéticas del metal y del molde. En éste, las ecuaciones de flujo no son solucionadas. La porosidad es determinada por la evaluación del volumen de contracción por solidificación en cada región de líquido aislada en la fundición en cada paso de tiempo. Este volumen es conseguido del la parte superior de la región del liquido de acuerdo con la cantidad de metal líquido disponible en las celdas de donde el fluido es removido. La parte superior de la región del líquido está definida por la dirección de la gravedad. 71

La importancia de este acercamiento es apoyada por el hecho que en muchas situaciones el flujo fluido en la solidificación de metal puede ser ignorado. La formación porosidad en este caso es primordialmente gobernada por el enfriamiento del metal y la gravedad. Ninguno de los dos modelos incluye la evolución de los gases, por lo tanto, el volumen de porosidad es definido por la velocidad de enfriamiento y la diferencia de densidad sólido-líquido. El aspecto más importante en la modelación de contracciones realizada es que las cavidades por contracción son descritas explícitamente, luego, su influencia en el metal fundido y el flujo de calor son tenidas en cuenta. Además, para los modelos de contracción designados para predecir la formación de macro porosidades, son computadas una variedad de funciones que pueden ser usadas para evaluar la aparición de micro porosidad y algo de las características microestructurales. Estas son: • • • • •

•

Velocidad de solidificación, Vs, que es al velocidad de la isoterma de sólido en el momento de la solidificación. Gradiente térmico, G. Velocidad de enfriamiento, R. Tiempos de solidificación locales y absolutos, tl y ta. El tiempo de solidificación local es el tiempo que tarda al fundición en lograr la temperatura de sólido. Índice de eficiencia de alimentación, G/tl. Puede ser visualizada graficando la variable SLDCF2 G Criterio de la función Niyama, R 2

G   • Criterio LCC (Lee,Chang and Chieu),  Vs 

tl 3

Modelo de atrapamiento de aire. En flujos con superficie libre, la turbulencia en el líquido puede ser suficiente para distorsionar la superficie y hacer que el aire o gas queden atrapados dentro del líquido. El análisis de este fenómeno es de importancia en la predicción del flujo durante el llenado de un molde, donde el aire atrapado es indeseable y debe ser evitado para prevenir la porosidad y otros defectos finales en la superficie

72

Cuadro 1. Descripción del modelo de Aire atrapado de Flow 3D

∂Cair + u ⋅ ∇Cair = R ⋅ t ⋅ (1 − Cair ) ∂t 2 ⋅ ∆E R =α ⋅

ρ

∆E = max(0, Eturb − Estab ) Estab = ρgL + Eturb = ρk L = 0.1⋅

3/ 2

k

σ L

Cair: Fracción de volumen de aire r: densidad del metal s: Coeficiente de tensión superficial k: Energía cinética turbulenta e: Disipación L: tamaño promedio de las ondas (figura #)

ε

El modelo de Aire atrapado puede ser usado de son maneras, pasivo o activo. En el modo pasivo el aire atrapado no altera la dinámica del flujo de metal. En el modo activo el siguiente fenómeno es añadido: •

La densidad del metal/aire es calculada como un promedio de peso generando una condición de flotabilidad.

•

El volumen “Bulk” del metal aumenta

•

Las burbujas de aire se deslizan a través del metal y escapan hacia la superficie libre

El modo activo es usado cuando el aire atrapado es significativo y cuando el tiempo para que el aire atrapado escape y se separe es largo. Un ejemplo del uso del modelo de aire atrapado es mostrado en la figura16

73

Figura 16. Carcasa de la cubierta del motor del avión A380 analizada con el modelo de aire atrapado

Cortesía: FlowScience

Consideraciones de estabilidad en el software Flow 3D Hay varias restricciones en el tamaño del Tiempo de paso en FLOW-3D que deben ser observadas para abolir inestabilidades numéricas. Existe la posibilidad de usar un control automático del Tiempo de paso, si es usado éste en los datos de entrada de la simulación, el código ajustara el paso de tiempo para ser tan largo como sea posible sin sobrepasar las condiciones de estabilidad o exceder el tamaño máximo del tiempo de paso ingresado por el usuario. El tamaño del tiempo de paso también será reducido cuando las iteraciones de la presión y/o de la temperatura sobrepasen los valores nominales correspondientes que dependen de las opciones de la iteración. Generalmente, el paso de tiempo se ubicara con incrementos del 5% (hacia arriba o hacia abajo) por ciclo a no ser de que se rompa una condición de la estabilidad, en dicho una reducción mayor es establecida. Se recomienda que la opción automática del tiempo de paso se utilice siempre para lograr resultados óptimos. El tamaño del paso de tiempo también puede ser cambiado, aunque se haya solicitado un valor constante, cuando la advección de la fracción de fluido excede una cantidad igual a dos veces el volumen del factor de estabilidad del tiempo CON (o el volumen de la celda es 0.85 más pequeño). En este caso la solución se devuelve a su estado inicial en el ciclo antes de continuar y el ciclo se repite con un paso de tiempo reducido a la mitad. Si el usuario inhabilita el control automático del paso de tiempo, se deben seleccionar pasos de tiempo para satisfacer los siguientes criterios. Primero: el fluido no debe fluir a través de más de una celda en un paso de tiempo. Este transporte advectivo no solo depende de la velocidad, sino también del área/Volumen fraccionada abierta al flujo.

74

La condición básica de la estabilidad es:

Ec. 42(3.260) Donde (u, v, w) son las magnitudes de velocidad y un factor CON = 0.45 es utilizado típicamente para simplificar el análisis de estabilidad. Para fluidos compresibles CON = 0.25. Una celda con cara de celda de gran área y un volumen pequeño podría llevar el paso de tiempo a valores pequeños si existe una condición de flujo significativa en la celda. En el supuesto caso de que esto suceda es necesario que sea modificado el arreglo de la malla y el obstáculo. Para tal fin, un algoritmo que ajusta automáticamente estas relaciones puede ser utilizado. Un valor negativo no mayor a -2 en la variable AVRCK es recomendable (AVRCK= -5.0 o -3.1).

75

3. DESCRIPCIÓN METODOLOGÍA DE SIMULACIÓN CON FLOW 3D

Como se mencionó en la introducción, la simulación del proceso LFC cuenta con diferentes etapas, basan en la parametrización de las ecuaciones de transporte con las propiedades indagadas en la planta de producción y la configuración de los parámetros (variables de operación) del software incluyendo la refinación y ajuste de la malla computacional. El proceso de simulación con software CFD requiere de una metodología que para la mayoría de software incluye pasos similares hasta llegar al resultado. Se tienen 4 pasos básicos para lograr el objetivo de simular un proceso de flujo: i. ii. iii. iv.

Diseño en CAD. Preproceso: Mallado y programación del problema. Resolución (simulación) del problema. Postproceso de la solución y análisis de las soluciones.

Sin embargo para dar inicio a cualquiera de las etapas de la simulación del proceso LFC se requiere un paso adicional que es la identificación de las variables más relevantes y que intervienen en los fenómenos de flujo de fluido y transferencia de calor. Por tal motivo, en el trabajo que aquí se expone, fue realizado un análisis previo al proceso LFC usado por Cobral Ltda. para la fabricación de sus piezas que permitió encontrar las variables usadas para el desarrollo de la simulación.

3.1 ESTUDIO PREVIO DEL PROCESO DE FUNDICIÓN A continuación se describen los diferentes parámetros de proceso y propiedades de las materias primas que influyen directamente sobre el fenómeno clave de degradación de la espuma, a través de mecanismos de transferencia se calor durante el vaciado y la solidificación. A su vez fueron identificados los rangos entre los que operaba la planta de función, los cuales sirvieron también para parametrizar el software de simulación. 3.1.1 Materias primas Arena y Recubrimiento refractario La materia prima principal para el éxito del proceso LFC junto con el recubrimiento refractario es la arena. Ésta debe conseguir una consistencia adecuada para facilitar la evacuación de gases y entregar la compactación adecuada para reproducir la geometría de la pieza.

76

El método de preparación de la arena en el proceso LFC es simple debido a que se usa una arena seca sin aglutinantes, lo cual permite reciclabilidad. La arena es mezclada en un sistema de manejo de arenas automático que la recircula y enfría cada que es utilizada para armar un molde. La única condición es que la arena debe ser del tipo sílice subangular con un índice de finura de 35-45 AFS. Para lograr la distribución de tamaño de grano debe ser añadida arena nueva al recipiente de moldeo después de cada vaciado. El recubrimiento refractario usado es Polyshield P2350 elaborado por la empresa multinacional HA International (Borden), su presentación es en polvo y posee las características mostradas en la tabla 6. El recubrimiento refractario es utilizado para mejorar la calidad de las piezas fundidas en cuanto a acabado superficial y evita el atrapamiento de arenas de moldeo. Tabla 6. Características de la Pintura Refractaria Polyshield P2350 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA PINTURA REFRACTARIA Componentes

% en Peso

Óxido de aluminio 1 -5 Tierra de Fuller 1 -5 Mica 5 – 10 Cuarzo (SiO2) 1- 5 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUIMICAS DE LA PINTURA REFRACTARIA Estado Físico Apariencia Color Olor Gravedad especifica pH Viscosidad Solubilidad en agua

Líquido Barro Gris azuloso Tierra 1,59 6-8 3000-8000 cps Soluble

Es de gran importancia el recubrimiento porque ayuda a controlar el vaciado del metal, ya que al presentar una alta permeabilidad el vaciado es más rápido y turbulento, en cambio al presentar una baja permeabilidad el vaciado toma más tiempo y es más estable. Sin embargo, sebe ser encontrado un nivel óptimo de permeabilidad para que el vaciado sea eficiente y no tarde un tiempo exagerado, en el que la espuma de PS pueda reblandecerse y desboronar el molde. Debido a la imposibilidad de modelar el recubrimiento refractario dentro del software se encuentran las propiedades del conjunto arena – recubrimiento refractario, que han sido estudiadas por distintos autores. De la relación arena–recubrimiento refractario interesan para la simulación las propiedades Coeficiente de transferencia de calor y conductividad térmica. Por la imposibilidad de involucrar la permeabilidad en el software, las variables

77

mencionadas sirven para parametrizar el molde generado en el entorno computacional. La figura 17 muestra una aproximación de la conductividad térmica a partir de la compactación y el contenido de aglutinantes en la arena. Así mismo los coeficientes de transferencia de calor seleccionados se muestran en la tabla 10 y fueron obtenidos en la revisión del estado del arte Figura 17. Variación de la conductividad térmica con la temperatura a Sílice con contenido de aglutinantes b. 4 tipos de arena comercial con contenidos de 39 40 aglutinante

a.

b.

39

ATTERTON, D.V. The Apparent Thermal Conductivities of Moulding Materials at High Temperatures. En: Journal of the Iron and Steel Institute. Vol. 174, (1953); p. 201-211. 40 PEHLKE, R.D. ; JEYARAJAN, A. y WADA, H. Summary of Thermal Properties for Casting Alloys and Mold Materials. Michigan: The University of Michigan, 1982. p. xx

78

Espuma de Poliestireno La espuma de poliestireno o EPS es la que posee la geometría de la pieza a fabricar, ésta debe presentar ciertas propiedades para le proceso LFC dentro de las cuales se encuentra la densidad, el contenido de pentano, humedad, tamaño de las perlas, entre otras. Dichas propiedades de procesamiento influyen directamente sobre el coeficiente de transferencia de calor, la conductividad térmica, la temperatura de transición vítrea, la temperatura de ignición espontánea o degradación, que son de importancia en la fenomenología del proceso LFC. Es tal la importancia de la espuma, que una variación en su densidad puede cambiar un sin número de parámetros de proceso como la temperatura de vaciado, velocidad de vaciado y nivel de compactación de la arena. Como se explicaba en el capitulo uno, el fenómeno que controla el proceso LFC es la velocidad de degradación de la espuma (Figura 9). Por tanto es de importancia conocer las variables antes mencionadas para la espuma en búsqueda de parametrizar adecuadamente el software de simulación. En la tabla # igualmente se muestran las propiedades para dicha materia prima. Las propiedades para la espuma de poliestireno fueron extraídas de un estudio sobre el origen y tipo de material utilizado por Cobral ltda. Igualmente se indago acerca del procesamiento que el Poliestireno tenía dentro de la planta El material polimérico utilizado en el proceso es Styropor CHF-416 fabricado por BASF con un contenido de pentano (agente de expansión) dado por norma de 5% mínimo. Las características técnicas del poliestireno se relacionan en la tabla 7. Tabla 7. Datos Técnicos del Poliestireno Styropor CHF 416

Rango de tamaño de perlas Distribución del tamaño: Mayor que 0,70 mm Entre 0,30 y 0,70 mm Menor que 0,30 mm Fondo Contenido de agua: Expansibilidad (5 minutos):

0,40 – 0,60 mm < 3% 94% < 5% 0,1% máx 0,5% máx < 17 g/l

La densidad del poliestireno es de 640 kg/m3 en estado virgen. Para que pueda ser usado en la producción de los modelos de espuma en LFC la densidad debe llegar a niveles entre 16 y 27 kg/m3. La tabla 8 muestra una recomendación sobre los niveles de la densidad del EPS según el material a fundir.

79

Tabla 8. Niveles óptimos de densidad para el EPS según el tipo de material a fundir

Metal Aluminio Bronze Hierro Gris

Temperatura vaciado ºC 705 – 790 1040 – 1260 1370 - 1455

de Densidad EPS Kg/m3 24 – 27 20 – 21.6 < 20

Hierro y chatarra El metal utilizado para la fabricación de las piezas es obtenido de chatarra e insumos conseguidos con proveedores en el sector: C.A. Mejía y Cía. S.A., Insumos Metalúrgicos Ltda., Tecnoinsumos Ltda., Quintal s.a. Estos insumos son mezclados para obtener hierro fundido, el cual es utilizado en la fabricación de las diferentes piezas. Para su formulación se han venido utilizando diferentes materias primas: hojalata, arrabio, acero general, retorno, cold rolled, viruta, hierro gris 2, limalla de hierro, ferrosilicio, grafito gris 297, ferromanganeso, grafito nodular 05, liga nodulizante y liga inoculante. Estas mezclas son obtenidas en diferentes proporciones para una carga de 500kg a fundir. Generalmente la mezcla realizada se encuentra dentro de los rangos de materias primas mostrados en la tabla 9: Tabla 9. Mezcla de materias primas para 500 Kg. de hierro gris Acero general 230 Kg.

Hojalata 30 Kg.

Retorno Gris 1

Grafit o gris

FeSi Horno

FeSi Inoculante

220 Kg.

9.24 Kg.

4.36 Kg.

0.15 Kg.

FeMn 1.8 Kg.

FeCr 0.87 Kg.

IM75 0.96 Kg.

El conocimiento de la composición química permite definir el tipo de material a implementar en la simulación, igual que sus propiedades térmicas para el análisis del vaciado y la solidificación del metal. Con la identificación de la materia prima se establecieron las propiedades de proceso como temperaturas (vaciado, solidificación, líquido, sólido), coeficientes de transferencia de calor (metal - espuma, metal – arena), conductividad térmica (líquido y sólido), fracción de sólidos critica 3.1.2 Fusión, vaciado y solidificación. El horno utilizado para este proceso es un horno de inducción con un suministro de energía de 3500 kW. El hierro es vaciado con desde un crisol basculante al bajante del árbol de espuma dentro del recipiente de moldeo. La temperatura del hierro es medida con un pirómetro óptico durante todo el proceso de fusión. La temperatura de vaciado se encuentra en el intervalo entre 1390 °C y 1450 °C. Antes de alcanzar esta te mperatura es añadido el inoculante (IM22). Además, unos minutos antes del vaciado se añade el

80

escoriante (marca Slaxer), para facilitar la eliminación de las impurezas en la superficie del metal. El horno se bascula para vaciar una cantidad de 480kg en una cuchara que es llevada hasta la zona de moldeo. La velocidad de vaciado es de 8 Kg./seg. Con esta cantidad de hierro pueden ser llenados de 8 a 12 moldes antes de llenar nuevamente la cuchara. En cuanto a la solidificación se detecto que el modelo fundido permanece en el recipiente de moldeo alrededor de 30 minutos antes de desmoldar. Este tiempo está dado por la velocidad de la línea de producción. Sin embargo la simulación permitirá optimizar el tiempo de solidificación para programar la línea de producción, ajustándola al mínimo tiempo de desmoldeo posible. En esta etapa interesan para la simulación las temperaturas de vaciado, la velocidad de vaciado, la geometría del vaciadero y los tiempos de solidificación. Condiciones que fueron registradas y se muestran en la tabal 10

3.2 METODOLOGÍA PROPUESTA PARA EL DESARROLLO DE LA SIMULACIÓN Con el análisis sobre el proceso LFC dentro de la planta de cobral Ltda. se propuso la metodología mostrada en el cuadro 2. La misma se desarrollara para las distintas referencias producidas por cobral que se simularan. La metodología cuenta de 5 etapas: i. ii. iii. iv. v. vi.

Modelación en CAD Simulación y análisis de resultados Modificación de las características geométricas Ensayos en planta Caracterización y pruebas de laboratorio Implementación de resultados en a producción.

81

Cuadro 2. Metodología utilizada en la planta de fundición para la implementación de la técnica LFC: a. Simulación numérica, b. Modificación sobre árboles y modelos, c. Ensayo en planta, d. Caracterización de defectos y e. producción en línea e implementación de mejoras

a.

C Brillante

b.

c.

Poros

Escoria

Arena

d.

e.

3.3 VARIABLES ESTABLECIDAS PARA LA PARAMETRIZACIÓN DEL SOFTWARE Fueron realizadas pruebas en planta para evaluar la velocidad de evaporación del modelo y se establecieron los parámetros para alimentar el sistema de simulación. La tabla 10 indica los valores de los parámetros usados para alimentar el software de simulación. Los parámetros usados en la simulación, se basan en los datos obtenidos en planta, éstos incluyen propiedades térmicas, químicas y físicas de las materias primas usadas en el proceso LFC (EPS, arena, pegante, hierro, etc.).

82

Tabla 10. Parámetros y propiedades alimentados al software de simulación Propiedad Espuma Densidad EPS Conductividad térmica Coeficiente de transferencia de calor Densidad por calor especifico Temperatura inicial Metal Densidad metal liquido Densidad metal sólido Conductividad térmica metal liquido Conductividad térmica metal sólido Calor especifico metal liquido Calor especifico metal sólido Temperatura de liquido Temperatura de sólido Viscosidad Fracción de sólidos critica Calor latente de fusión Arena Conductividad térmica arena Densidad * Calor especifico Temperatura inicial Coeficiente de transferencia de calor Proceso Temperatura de vaciado Presión de vaciado Velocidad de vaciado Presión atmosférica Tempera ambiente

Valor

Unidad

1200 0.039

Kg/m3 Watt/m*K Watt/m2 K

18.67e2 3.5e5 303

gm/cm/s2/K K

7000 7160

kg / m3 kg / m3 W/mK

2.49e2 2.57e2

W/mK

6.9e2 6.7 e2 1490 1320 0.0078 0.4 2.72e5

J / kg K J / kg K °C °C Pa-s % J/Kg

0.65 1.5 e7 303

Watt/m*K gm/cm/s2/K K Watt/m2 K

2.0e2 1490 118.450 1 101.300 25

°C Pa Kg/s Pa °C

3.4 PROCEDIMIENTO DE AJUSTE Y PUESTA A PUNTO DE LA SIMULACIÓN El proceso de configuración de los parámetros o Setup en Flow 3d requiere una serie de pasos donde el ingeniero de CFD alimenta el software para que logre una fiel representación del proceso a analizar. A continuación se muestra un breve resumen de los pasos a seguir para parametrizar el software Flow3D en la simulación del proceso LFC.

83

3.4.1 Ajuste Global. En este paso deben ser definidas las condiciones generales del fluido y del proceso LFC, tales como: • • • •

Fluido incompresible Problema de superficie libre Tiempo de llenado Tiempo de finalización

Figura 18. Modulo de ajuste global en Flow 3D

3.4.2 Modelos Físico. Dentro de los modelos físicos que Flow 3D tiene predeterminados deben ser seleccionados los que sirvan para la simulación del proceso LFC, en esta etapa fueron seleccionados los modelos que se listan a continuación y que fueron explicados en el capítulo 2. La figura 19 muestra el listado de modelos disponibles en Flow 3D, los seleccionados fueron los usados para la presente simulación.

84

Figura 19. Modulo de ajuste de los modelos físicos disponibles

•

Identificación de defectos: las propiedades mecánicas de la piezas fundidas dependen en gran medida de la limpieza del metal en cuanto a óxidos, aire y otras inclusiones no metálicas que pueden quedar atrapadas durante el llenado. Activar dicho modelo permite identificar los defectos originados en la superficie turbulenta durante el vaciado, lo cual entrega una predicción aproximada de las zonas de mayor concentración de defectos. Adicionalmente, el modelo esta acoplado con el modelo LFC para predecir la posible formación de carbón residual que queda atrapado después de la degradación de la espuma. Es seleccionado el modo de ajuste de la superficie libre y de identificación de defectos en LFC, incluyendo los coeficientes de formación de óxidos y de generación de residuo de la espuma, 100 y 50 respectivamente

Figura 20. Modulo parametrización de la opción de identificación de defectos

85

•

Gravedad: dependiendo de la geometría a analizar, es ajustada la gravedad en la dirección de los ejes X, Y o Z.

•

Transferencia de Calor: es activado seleccionando una precisión de primer orden, el cual permite el cálculo de la energía interna al solucionar las ecuaciones de transporte. También es activado el modo "Solve full energy equations in solids” para calcular la transferencia de calos entre los obstáculos, el molde y el metal fundido. Para dar una mejor precisión es seleccionado el modo Implícito.

Figura 21. Modulo parametrización de la opción de transferencia de calor

•

Solidificación: se selecciona la opción "No contracciones" para la simulación del llenado. La opción de análisis de contracciones es seleccionada cuando se simula la solidificación, etapa en la cual las ecuaciones de movimiento del fluido son desactivadas para el análisis y se corre una simulación que analiza netamente la transferencia de calor. El modelo de la solidificación explica cambios volumétricos durante la transformación de la fase

86

Figura 22. Modulo parametrización de la opción de solidificación

•

Viscosidad y turbulencia: al activar la opción de “Viscosidad newtoniana” es activado el modelo de Viscosidad y Turbulencia" para la simulación del llenado. La opción de flujo turbulento es activada seleccionado el modelo RNG. el cual es usado para describir flujos turbulentos de baja densidad más precisamente. El mismo utiliza métodos estáticos para derivar las ecuaciones de energía cinética de turbulencia y la rata de disipación.

87

Figura 23. Modulo parametrización de la opción de viscosidad y turbulencia

3.4.3 Fluido. En esta etapa deben ser ingresadas la propiedades del fluido a analizar, para el caso de LFC se ingresaron las propiedades del Hierro gris y el Hierro nodular producido por Cobral según el caso. Para piezas de la línea automotriz parametrizar el software con hierro gris y para piezas de la línea de transporte de fluidos con hierro nodular. La figura 24 muestra las variables que son requeridas por el software para la parametrización del fluido.

88

Figura 24. Modulo parametrización del fluido

3.4.4 Mallado. Para desarrollar la simulación del proceso LFC deben ser modeladas las piezas algún programa de CAD (Computer Assist Design). Por tanto, se trabajó en Solid Edge en la modelación de las piezas fabricadas en Cobral Ltda objetivo de análisis. Consiguiendo los modelos de en tres dimensiones de las diferentes referencias y las diferentes configuraciones de árboles, la figura 25 muestra algunos ejemplos de los modelos de espuma implementados en CAD.

89

Figura 25. Árbol de hidrantes configurado de tres formas diferentes: a. Un hidrante por árbol, b. Dos hidrantes por árbol, c. tres hidrantes por árbol, d. 4 hidrantes por árbol, e. Collar de derivación y f. árbol de collares, pueden ser vistas las diferentes secciones de EPS dentro del modelo

a.

b.

c.

d.

e.

f.

Luego del diseño de modelos, fueron exportadas las geometrías al software Flow-3D, en éste fue realizada la parametrización de la simulación para el proceso LFC. Durante la modelación se usaron mallas en coordenadas cartesianas, las cuales permitieron reproducir fielmente las geometrías de los modelos a ensayar. Fue usado un tamaño de celda de 4.5mm y un promedio máximo de tamaño entre celdas para las coordenadas xy, xz y yz de 1.01mm. Mediante el método Fractional Area-volume obstacle representation (FAVORtm), se validó la geometría y la estabilidad numérica del planteamiento, permitiendo optimizar el mallado con la definición de un tamaño de celda adecuado.

90

La figura 26 muestra el análisis realizado por medio del método FAVOR para el modelo de 4 hidrantes. Con el mismo, se facilitó la identificación de discontinuidades en el modelo reconocido por la malla. Figura 26. Método FAVOR para modelo de 4 hidrantes por modelo: (a) Sólido creado digitalmente por la definición de malla en Flow-3D y (b) Modelo de espuma real

a

b

En la figura 26 se observa que algunas áreas del modelo no quedan bien definidas porque el tamaño de las celdas no logra una alta precisión. Por tal motivo, se preciso la malla hasta encontrar un balance entre la calidad de la representación geométrica, el tamaño de la celda y la capacidad de solución del equipo, ya que entre mayor sea el numero de celdas, mayor es el requerimiento de máquina para realizar el computo. 3.4.5 Condiciones de frontera. Fue definida una frontera de presión en el lado superior de la malla y se determinó además un valor de presión equivalente para un vaciado a presión atmosférica. La figura 78 muestra el diseño de malla con las fronteras definidas. Las fronteras marcadas como -S- indican una frontera simétrica por la cual se permite el flujo de calor. Y la indicada con P indica una frontera por donde ingresara el fluido parametrizado con las co0ndiciones del proceso LFC. Figura 27. Diseño de fronteras del sistema

91

Los valores para la presión se hallaron calculando la presión ejercida por la columna de metal (presión metaloestática) al realizar el vaciado, y la temperatura se parametrizó como la temperatura de vaciado del metal. Presión de vaciado = 1184.500 Pa Temperatura de Vaciado = 1400 -1500°C 3.4.6 Condiciones Iníciales. Para el análisis del proceso LFC las condiciones iníciales se ajustan con los parámetros del proceso. Deben ser entrados los siguientes valores para que la simulación se desarrolle adecuadamente. •

Condiciones iníciales del fluido: Temperatura, Velocidad

•

Condiciones iníciales atmosféricas: son usadas para definir la presión y temperatura del sistema. En el caso LFC se ajustan con los valores de las condiciones Atmosféricas

•

Condición inicial de presión: en el caso de LFC se ajusta con el mismo valor ingresado a la frontera del sistema. También sirve para definir si existe igual presión hidrostática en todas las direcciones.

Figura 28. Modulo para el ajuste de las condiciones iníciales en Flow 3D

3.4.7 Resultados requeridos. Esta etapa es de distinta configuración según el software que se utilice para dar solución a la simulación. En Flow 3D existe un modo que permite seleccionar diferentes opciones para la adquisición de resultados. Se puede ajustar el software en búsqueda de obtener datos con una frecuencia específica en el intervalo de análisis, además permite escoger las graficas y animaciones requeridas.

92

En el caso del proceso LFC los resultados relevantes para el análisis del llenado y solidificación varían dependiendo del objetivo de análisis La tabla 11 muestra los gráficos e información requeridos para un análisis de LFC. Tabla 11. Resultados esperados de la simulación con Flow 3D Llenado

Solidificación Micro y macro porosidad Temperaturas del fluido Fracción de sólidos Flujo de calor Rata de flujo de calor Fracción de sólidos Temperatura de pared Concentración de Temperatura del fluido defectos Presión

Se debe tener presente que la adquisición de datos es definida mediante el parámetro “tiempo de intervalo de adquisición”, el mismo se selecciona según la cantidad de puntos en los que se quiera almacenar la información del análisis. El seleccionado para el proceso LFC fue de 0.1 seg en el vaciado y de 5 seg en la solidificación. El tiempo de intervalo debe ajustarse sin exceder la capacidad del almacenamiento de la máquina, debe ser seleccionado un valor que permita evaluar el fenómeno sin que el tamaño del archivo sea muy exagerado. Lo anterior es un problema grande que fue afrontado durante el desarrollo del presente trabajo, puesto que en algunos casos se presentaron archivos de resultados de 80 y 100 GB, impidiendo almacenar la información de dos planteamientos al mismo tiempo para el análisis. 3.4.8 Método Numérico. En esta etapa es seleccionado el método numérico con el que se da solución a las ecuaciones diferenciales establecidas para el problema específico. El tiempo mínimo de paso entre cálculos para el análisis del llenado es de 1e-9, con este se garantiza que la simulación corra adecuadamente sin entrar en inconcordancia con el parámetro ∆ (Delta, tiempo de paso numérico) que controla el avance del método numérico en el tiempo. Se selecciono para la mayoría de los casos el solver GMRES debido a que presentó una adecuada estabilidad, precisión y menor tiempo de solución. El funcionamiento de los distintos solvers fue expuesto en el capítulo 2. 3.4.9 Simulación. La etapa de solución del planteamiento numérico tiene dos fases: •

Preprocesamiento: al correr el preprocesador el software verifica las especificaciones del problema, crea la malla y la geometría del sólidos involucrado (molde) y reproduce gráficos de diagnostico. El preprocesador ayuda a verificar que la parametrización es correcta antes de ejecutar el Solver.

93

El planteamiento de cada problema queda almacenado en un archivo denominado “prepin”, el cual almacena reportes de diagnostico para información del usuario que informan si existe algún error en el planteamiento. •

Procesamiento o Solver: Al iniciar la simulación Flow 3D ejecuta automáticamente los pasos necesarios para realizar el análisis. Cuando la opción de inicio de la simulación es activada, el preprocesador es ejecutado en primer lugar, en este punto se realiza otro diagnostico que muestra los posibles problemas en la solución, al finalizar el preprocesador se abre una ventana que muestra los gráficos de diagnostico de la simulación (figura 29). Dichos gráficos deben ser analizados en el transcurso de la simulación para identificar posibles alteraciones en la estabilidad y precisión.

Figura 29. Modulo para el análisis de la estabilidad en Flow 3D

94

4. ANÁLISIS MEDIANTE SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC

Como objetivo de estudio para el presente trabajo fueron seleccionadas 4 piezas con geometrías y requerimientos mecánicos complejos, estas son hidrantes, collarines de tubería, discos y campanas de freno. Estas piezas son fabricadas en la actualidad usando LFC por la empresa Cobral ltda. Al inicio del trabajo de simulación algunas ya eran fabricadas por LFC (discos y campanas), pero otras se encontraban siendo fabricadas mediante fundición tradicional usando placas modelo o estaban en etapa de diseño. El cambio de fundición tradicional a LFC fue beneficiado por el uso de procedimientos de simulación, ya que se realizaron inicialmente simulaciones para identificar problemas de flujo. Con los diseños de moldes propuestos, se optimizaron los sistemas de alimentación de metal logrando eficiencias de moldeo bastante altas para el proceso LFC Pieza Hidrante Mega Collar derivación Disco Logan Campana Logan

Referencia LFC1 LFC2 LFC3 LFC4

4.1 PIEZAS DE ESTUDIO Pieza LFC1 Los hidrantes (HS), son equipos destinados al control de incendios en las zonas urbanas. Son diseñados como una válvula de paso que va integrada a redes contra incendio o a los acueductos públicos de ciudades y pueblos. Las condiciones climáticas de la zona de uso del hidrate influyen sobre su diseño, ya que si es usado en zonas donde la temperatura ambiente es menor a 0°C (punto congelación del agua) es necesario el uso de HS de columna seca, los cuales dejan pasar al agua solo en el momento de abrir la válvula y son más complejos en su fabricación. Sin embargo, en las zonas del trópico, donde no se presentan inviernos extremos, es posible usar hidrantes de columna húmeda que presentan un diseño, proceso y operación más sencillos. La pieza LFC1 fue seleccionada por presentar la geometría más compleja y el mayor nivel de rechazos en pruebas realizadas con fundición tradicional entre todas las referencias producidas por dicha empresa. La figura 30 muestra las características geométricas de la pieza LFC1 y sus partes.

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Figura 30. Detalle del hidrante Mega 6 producido por Cobral Ltda

Para el objeto del presente trabajo fue analizado por simulación el vaciado y solidificación la pieza LFC1, la cual tenía la masa más grande de las piezas fundidas por la empresa. El reto con dicha pieza era incrementar la eficiencia de moldeo, que para el proceso LFC es adecuada por encima del 80%. La planta de producción contaba con eficiencias de moldeo de 64% – 70 % (promedio para todas las referencias) y una productividad de 16 unidades por día. Encontrando un nivel de rechazo alrededor de 30%. Pieza LFC2 Son un tipo de accesorio de derivación para redes de tubería. Es de gran utilidad, ya que permite colocar derivaciones adicionales de una red matriz sin necesidad de parar el flujo. El material de fabricación es hierro dúctil, recubierto con un polímero tipo epóxico, y nitrilo como material de sello. La calidad de los collares debe ser tal que posean resistencias a presiones de trabajo de hasta 200 Psi41. El diseño de las piezas LFC2 presenta un reto desde el punto de vista de la fundición, este debe tener un ajuste preciso, debido a que durante su funcionamiento tiene que ser ensamblado en tuberías bajo tolerancias muy estrechas para evitar derrames de fluido. La figura 31 muestra 2 tipos de geometrías de la pieza LFC2 las de tipo mariposa y las de tipo barril.

41

AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. C502-05: AWWA Standard for Dry-Barrel Fire Hydrants. USA: El autor, 2005. p. xx

96

Figura 31. Geometrías Collares de derivación de fluido. a. Tipos mariposa y b. Tipo barril

a.

b. Para este caso, el uso de simulación permitió aumentar las eficiencias de moldeo y definir la configuración del sistema de alimentación de menores niveles de rechazo. Originalmente las piezas eran fabricadas por fundición tradicional con niveles de rechazo hasta del 40%, siendo de gran utilidad la simulación del proceso LFC para realizar el escalamiento de producción de fundición tradicional a LFC. LFC3 y LFC4 En general los componentes automotrices, como discos y campanas de freno, están sometidos a acondiciones de uso extremas donde las propiedades mecánicas y químicas deben garantizarse en el proceso de fundición. Por tanto, los controles de calidad son mucho más rigurosos sobre las piezas de la línea automotriz, lo cual exige aun más el proceso LFC haciendo que este tenga que presentar bajos niveles de rechazo y alta productividades.

97

Las piezas LFC3 y LFC4 que fueron evaluados mediante simulación son los usados en el automóvil LOGAN de Renault ensamblado por la empresa SOFASA. Estos presentan características geométricas especiales debido a que son los de mayores dimensiones y geometrías más complejas producidos por Cobral. Fue analizado mediante simulación el proceso LFC para este tipo de piezas, en búsqueda de unos sistemas de alimentación de metal que entregaran mayores eficiencias de moldeo, menor porcentaje de rechazos y una mayor productividad. Esto debido a que el sistema de alimentación de metal con que Cobral produce discos y campanas de freno no entregaba, para la referencia LOGAN, una productividad y eficiencia de moldeo aceptables para el tipo e pieza.

4.2 SISTEMAS ANALIZADOS Fueron evaluados los sistemas de moldeo indicados en la tabla 13, los mismos fueron propuestos según el nivel de desarrollo que tenia cada una de las piezas. Tabla 12. Descripción de las eficiencias de moldeo y geometrías de los árboles objetivo de análisis

Pieza

Sistema de modelo

LFC1-1X LFC1-2X LFC1-3X LFC1-4X LFC2 LFC3 LFC4

1 pieza/Árbol 2 pieza/Árbol 3 pieza/Árbol 4 pieza/Árbol 60 pieza/Árbol 12 pieza/Árbol 12 pieza/Árbol

Eficiencia de fundición (%) 53.84 70 77.7 82.35

4.3 RESULTADOS SIMULACIÓN Luego de la parametrización del modelo en el software Flow-3D® se corrió la simulación encontrando los siguientes resultados para le proceso LFC: • • • •

Eficiencias de moldeo Tiempos de llenado Tiempos de solidificación Optimización de las geometrías en sistemas de alimentación.

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4.3.1 LFC1 Objetivo de análisis En este caso se tomo como pieza de análisis el Cuerpo del hidrante y se dividió el análisis en dos etapas. Los resultados sirvieron para definir los parámetros geométricos del nuevo sistema de moldeo por LFC para la pieza LFC1 •

Evaluación de geometría de las piezas: se realizó una simulación para verificar las condiciones del flujo de metal a través de las piezas, indagando si los espesores y geometría de la pieza permitían el adecuado flujo de metal en todo el cuerpo de la pieza.

•

Evaluación de los diferentes sistemas de moldeo: se propusieron 3 sistemas de moldeo de 2, 3 y 4 piezas por árbol. Todos con sistemas de alimentación iguales buscando evaluar cual presentaba el menor índice de rechazo. Igualmente, se buscaba encontrar un balance óptimo entre la eficiencia de moldeo y el porcentaje de rechazos.

Análisis del Llenado del molde En búsqueda de la identificación de la configuración de árbol que mejores características de calidad y eficiencia presentara durante el vaciado, se simularon los árboles de 1, 2, 3 y 4 piezas, lo cual facilitó la evaluación de canales de alimentación, entradas y posición de las piezas. La posición de las piezas en los modelos CAD fue seleccionada debido a que es la configuración que conserva un frente de metal único y homogéneo, y es la de mas fácil armado por parte de los operarios. Análisis de las diferentes configuraciones de árbol. La simulación realizada para el modelo de una pieza (figura 32a.) muestra un enfriamiento rápido, que crea un alto índice de concentración de defectos en las zonas de la brida de conexión y en las salidas de agua. Además, existe un gradiente de temperatura de 100°C aprox. entre el v olumen que es llenado al inicio del vaciado y el volumen que llena en último lugar. Esta diferencia de temperatura crea una solidificación no homogénea en la pieza, permitiendo contracciones desiguales, que posteriormente facilitan la formación de poros y grietas por esfuerzos residuales. La figura 31b muestra la superficie de concentración de defectos del mismo modelo, indicando en esta una gran zona de posibles defectos. Lo anterior fue corroborado en ensayos de pre-producción con árboles de una pieza, donde se encontraron niveles muy altos de rechazo, y consecuentemente se decidió pasar al ensayo con modelos de dos piezas.

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A pesar de presentar una desigualdad de temperatura en varias zonas y un alto índice de defectos, la primera simulación indico la distribución del flujo a través de la geometría de la pieza, se pudo apreciar que el flujo es homogéneo y presenta un único frente de metal. Igualmente la geometría de las entradas de metal a la pieza fue validada presentando un adecuado comportamiento. Figura 32. Distribución de temperatura durante el procesamiento de hidrantes por LFC

a.

b.

La simulación del modelo de 2 piezas mostró una superficie de concentración de defectos muy extensa a través de la pieza. En la figura 33 se identifican 3 frentes de metal en la pieza durante el llenado, la zona amarilla indica una probabilidad alta de formación de poros, inclusiones no metálicas y carbono brillante. El flujo irregular presentado en este modelo se debe a que el llenado ocurre a una alta velocidad y el flujo es dividido con un ángulo muy cerrado. Figura 33. Simulación del llenado para el modelo de 2 hidrantes

100

Los resultados de la simulación para el modelo de 3 piezas mostraron igualmente abundantes superficies de concentración de defectos en la zona de la brida de conexión. Además, se identificaron porosidades en el área principal de salida de agua, lo que fue evidenciado en la planta de producción. La porosidad detectada en las bocas de salida de agua, se asocia a problemas de flujo durante el llenado del molde, donde los productos gaseosos de la degradación del modelo de EPS se trasladan hasta quedar atrapados en áreas de desviaciones drásticas del flujo de metal. Dichas porosidades afectan la productividad del proceso LFC, ya que deben ser incrementadas las operaciones de mecanizado. La figura 34 muestra la simulación realizada para el modelo de 3 piezas, comparativamente con los resultados en planta. Figura 34. Simulación y producción de hidrantes con modelos de 3 piezas. a. simulación numérica, b. ensayo en planta y c. detalle de porosidad generada en la salida de agua principal del hidrante

a.

b.

c.

En la figura 35 se ilustra la identificación de zonas de mayor concertación de defectos para el modelo de 4 piezas. Las zonas con colores más claros, muestran una probabilidad mayor de aparición de defectos en la pieza fundida. Se encontró una coherencia entre los resultados de la simulación y el proceso en planta, ya que los defectos presentes en las piezas fundidas se generaron en las mismas zonas predichas por el software. Los defectos encontrados en las piezas fueron en gran porcentaje poros y carbono brillante. La razón que explica estos defectos se relaciona con el hecho de que los gases y productos de la degradación de la espuma son desplazados hasta la zona que es llenada en el último instante, lo cual hace que las propiedades mecánicas del hierro nodular de la brida de sujeción disminuyan y afecten la durabilidad del producto.

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Figura 35. Comparativo simulación vs. producción de 4 hidrantes por LFC: (a) Concentración de defectos en la superficie del modelo (Flow-3D) y (b) Defecto de carbono brillante encontrado en la pieza fundida

a. b. Los resultados del análisis del llenado junto con pruebas de caracterización mecánica y morfológica (rayos X) permitió seleccionar el modelo con menor nivel de defectos y en el cual los defectos no afectaran drásticamente la funcionalidad de la piezas. En el capítulo 5 son mostrados los resultados del análisis de rayos X para piezas de cada uno de estos árboles. En estos, se encontró que para el modelo de 2 piezas los defectos incluyen atrapamiento de aire y poros que afectan las propiedades mecánicas de las zonas de unión y ensamble. Igualmente, en el modelo de 3 piezas las bocas del cuerpo (agujeros de salida del agua) presentan un alto nivel de inclusiones y poros que dificultan el mecanizado y hacen que las piezas tengan que ser rechazadas. Como fue mencionado el análisis para el modelo de 4 piezas mostró una alta concentración de defectos en el área de la brida, lo cual fue comprobado en las pruebas de producción. Sin embargo, dichos defectos no afectan las condiciones mecánicas de la pieza debido a que se presenta, en gran cantidad, el defecto de carbono brillante que puede ser retirado fácilmente con el mecanizado. En cuanto a las porosidades encontradas con la prueba de rayos X se puede inferir que en la zona de la brida la pieza se encuentra libre de poros, pero existe un nivel mayor cerca de las entradas de metal. Lo anterior no afecta el funcionamiento de la pieza debido a que en esta zona los requerimientos mecánicos del hidrante son bajos. Variación de la presión durante el llenado Generalmente en el proceso LFC la temperatura de la arena y la espuma se encuentra entre 40°C a 50°C, mientras que la temper atura del hierro nodular para la producción de piezas esta alrededor de 1500°C 42. Esta diferencia 42

FERNÁNDEZ, Proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes, Op. Cit., p. 15-24.

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genera en algunos casos que se presente un exceso de presión por acumulación de gas en la zona de unión entre el bajante y el sistema de alimentación de metal. Este fenómeno fue detectado por la formación de un barril en esta zona, donde la evacuación de los gases a través del recubrimiento refractario se dificulta. Lo anterior, hace que se forme una mezcla de arena, restos de espuma y metal que finalmente quedan embebidos en la pieza. De otro lado, la simulación presentó una presión que excedía los límites de convergencia del software durante el llenado del modelo, lo cual mostraba un retroceso del fluido o pérdidas de fluido durante el llenado. La figura 36 muestra el fenómeno presentado durante la simulación y los resultados de los ensayos realizados para la pieza FLC1. Figura 36. Comparativo simulación vs. producción de hidrantes por LFC: (a) Pérdida de la continuidad en el flujo de metal por excesiva presión durante el llenado, (b) Presión excesiva durante la simulación en Flow-3D del modelo de 4 hidrantes y (c) Barril formado durante el vaciado en la producción de hidrantes

a

b

c En este caso se identifico un aumento de presión excesivo en la unión entre el bajante y el sistema de alimentación de metal, lo cual fue validado con pruebas en planta. La solución a este problema fue la modificación de la permeabilidad en esta zona, la cual se aumento logrando evacuar eficientemente el gas

103

generado producto de la reacción tan violenta que genera el contacto entre el metal fundido y la espuma. El detalle de la solución a este problema es mostrado en el capítulo 6. Análisis de la Solidificación Al finalizar el análisis de flujo se procedió al respectivo análisis de la solidificación del metal. Fue analizado modelo de 4 piezas LFC1 por haber presentado las mejores condiciones en cuanto a flujo y cantidad de defectos. Según los resultados analíticos (figura 37), el tiempo total de solidificación para el modelo de 4 piezas LFC1 fue de 15min., con tiempos de solidificación de 4min en la porción de las salidas de agua y en el cuerpo de la misma. Esta diferencia de tiempos de solidificación genera contracciones desiguales, que pueden crear grietas en lugares de la pieza donde hay cambios bruscos de sección. La tendencia a la solidificación rápida en las zonas mencionadas va de la mano con la distribución y forma del frente de metal entrante durante el vaciado. Debe tenerse en cuenta que la etapa de llenado define la distribución de las temperaturas del molde y del fluido antes del comienzo de la solidificación43, por lo tanto, es adecuado conservar un único frente de metal, disminuyendo el enfriamiento rápido por el contacto entre zonas frías y el aire a temperatura ambiente. La preservación de un frente de metal único facilita la solidificación homogénea ya que un gran porcentaje de la masa de la pieza conserva la misma temperatura antes del inicio de la solidificación. Igualmente, un solo frente de metal genera una menor probabilidad de aparición de defectos por atrapamiento de gases. Figura 37. Tiempo de solidificación para el modelo de 4 hidrantes

43

BARKHUDAROV, Is Fluid Flow Important for Predicting Solidification?, Op. Cit..

104

Se mejoraron las condiciones de solidificación practicando un vaciado más homogéneo y con una mayor velocidad, lo cual disminuyó la inercia térmica que toma el sistema y el tiempo que pasa entre el ingreso del primer frente de metal y el fin del llenado. Así mismo, se redujo la temperatura de vaciado a un valor cercano a la temperatura de solidificación, logrando así una solidificación homogénea entre las porciones más exteriores a la pieza y las ubicadas más al interior y de mayor espesor. 4.3.2 Pieza LFC2 Objetivo de análisis La pieza LFC2 son productos muy sensibles al costo, por tal motivo el objetivo era evaluar un sistema de moldeo que incorporaba el máximo número de piezas por árbol posible. Lo anterior en búsqueda de obtener la mayor eficiencia de moldeo y así disminuir el costo de producción. Análisis del flujo Para el caso se analizó la geometría requerida para generar la productividad adecuada en el proceso LFC. EL análisis de temperaturas durante el llenado mostró una distribución de temperatura dispareja entre las diferentes piezas del molde. Se puede ver en la figura 38 que algunas piezas alcanzaban inmediatamente después del llenado temperaturas cercanas al punto de solidificación del hiero (1453°C), lo cual indica q ue el enfriamiento es muy rápido y en un proceso real el molde no sería llenado en su totalidad. También fue identificado durante el análisis de llenado que en algunos casos el molde no llena completamente, dejando espuma sin rastros de degradación, lo que podría generar desmoronamientos del molde afectando las piezas por inclusión de partículas no metálicas y generar deformidades en las piezas que si llenaron. Figura 38. Análisis mediante Flow 3D de el modelo de collares de derivación propuesto por Cobral ltda

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Igualmente se hallaron irregularidades en el llenado del molde, encontrando flujo disparejo en los brazos del sistema de distribución. La figura 39 muestra que al iniciar el llenado uno de los canales de alimentación tarda en ser llenado. Este problema puede ocasionarse por una alta presión de gas dentro del molde que es representada por el software como una pérdida de material o una disminución de la velocidad de llenado. Figura 39. Irregularidades del flujo de metal en el modelo de collares propuesto por Cobral ltda

Identificación de defectos El análisis por simulación en búsqueda los defectos generados durante el llenado de molde fue realizado para le modelo de 60 piezas por árbol. El sistema de distribución llena adecuadamente, pero con algunas irregularidades como se menciono en el punto anterior. El problema de flujo irregular no es tan crítico como evidencia de formación de diferentes frentes de. En total con el análisis se identificaron 10 frentes de metal en el tramo circular del sistema de alimentación (figura 40). Lo anterior influye en gran medida en calidad de los collares, ya que cada frente transporta impurezas (productos de la degradación del modelo de espuma) y es un punto donde la temperatura del metal es muy baja posibilitando la formación de hierro frío dentro de las piezas. Estos efectos, generados por frentes de metales desiguales, son críticos en las piezas de geometrías pequeñas puesto que existe mayor riesgo de aparición de defectos por efectos del frente de metal.

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Figura 40. Identificación de los diferentes frentes de metal en el modelo de collares

Igualmente se encontró una gran concentración de defectos en las piezas luego del vaciado del molde. Se notó que durante el llenado las impurezas que viajan en el frente de metal quedan atrapadas debido a que la pieza es muy pequeña y no existe el espacio para que el mismo flujo arrastre las impurezas fuera de la pieza. La figura 41 muestra que las cavidades que reciben el metal en primer lugar presentan mayor concentración de defectos que las piezas superiores. En estas últimas, se presentan defectos debidos en gran parte a la falta de llenado, hierro frío y atrapamiento de aire. Figura 41. Análisis de concentración de defectos mediante Flow 3d en modelo de collares

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Análisis del tiempo de residencia del metal en el molde Se aprecia durante el vaciado un tiempo de llenado muy largo que puede estar dado por la alta presión de gas en el frente de metal, principalmente en las secciones del modelo de espuma de menor área al llegar pieza. Se aprecian secciones muy delgadas que restringen el flujo haciendo que este sea muy lento y no facilite el llenado. La figura 42 muestra un tiempo de llenado de 10 segundos solo hasta el punto de la primera pieza del árbol, el cual es un tiempo de residencia del metal muy largo para el punto de llenado del molde y la cantidad de metal que ingresa. Figura 42. Análisis del tiempo de residencia del metal en el molde para el modelo de collares

Los defectos mencionados anteriormente no se presentaron en los ensayos con fundición tradicional puesto que el molde presenta menor cantidad de piezas (3 piezas) frente al moldeo por LFC, que requiere mínimo 60 piezas para que sea rentable el proceso, lo cual hace que la cantidad de metal sea mayor y las temperaturas alcanzadas por el molde aumenten con respecto a fundición tradicional haciendo que en el desmoldeo las piezas tengan mayor temperatura y se presenten las contracciones. Así mismo, en LFC, las primeras piezas logran una mayor temperatura e inercia térmica que las últimas piezas degradadas, generando durante la solidificación grande defectos de tensiones residuales que disminuyen las propiedades mecánicas del material. Por lo anterior se realizaron una modificaciones en el diseño y se paso de un collar tipo mariposa-cinta (figura 31a) a un collar universal tipo barril de dos piezas (figura 31b), cuerpo y brida de sujeción, el cual, por su geometría, posee un flujo más uniforme con menor nivel de defectos.

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4.3.3 Estudio de piezas LFC3 y LFC4 Objetivo de analisis En las piezas LFC1 y LFC2 el objetivo de análisis era aumentar la eficiencia de moldeo, ya que para la referencia LOGAN (pieza más grande de la línea automotriz) se contaba con un sistema de moldeo poco eficiente de 8 piezas por árbol, mientras que las otras referencias de discos y campanas contaban hasta con 15 piezas por árbol. Por tal motivo se propuso para el análisis un sistema de moldeo que presentaba 12 piezas por árbol. El reto en este caso fue optimizar el sistema de alimentación de metal (denominado estrella) Análisis del llenado del molde Al buscar un incremento en la eficiencia de moldeo se modifico el modelo para las piezas LFC1 y LFC2, ambas se modelaron en un sistema de moldeo de 12 piezas por árbol. El cambio de sistema de moldeo hizo que tuvieran que ser modificadas las entradas de metal a la pieza, la Estrella (sistema de alimentación) utilizado para este tipo de pieza y la posición de las piezas. Se cambio la posición de las piezas, ubicándolas en sentido vertical (figura 43). Igualmente se balanceo el molde para que el flujo de metal se diera de manera estable. Figura 43. Configuración de los árboles de moldeo para discos y campanas de freno

Análisis de la nueva configuración. El análisis por elementos finitos realizado para el modelo de 12 piezas LFC3 (figura 44a.) muestra un flujo uniforme a través de toda la geometría del sistema de alimentación. Igualmente las entradas de metal a la pieza funcionaron de una manera adecuada y el flujo presento un solo frente de metal durante el llenado de cada pieza.

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Figura 44. Distribución de temperatura durante el procesamiento de discos logan por LFC

a.

b.

c. Se evaluó el diseño de unas trampas de impurezas que mejoraron la limpieza del metal fundido que llegaba a cada pieza, esta innovación evito que los frentes formados en la estrella (10) como en el caso de los collares producirán un alto nivel de impurezas. Igualmente la geometría propuesta estabilizo el flujo y disminuyo la turbulencia que se presentaba al llenar las piezas en otros modelos similares. Figura 45. Detalle de los estabilizadores de flujo de metal

110

En cuanto a la temperatura se observo que para la temperatura de de vaciado simulada 1400 ºC todas las piezas presentan una distribución homogénea de temperatura. No obstante, se identificaron zonas críticas en el vaciado piezas LFC3, donde se presentaron puntos de muy baja temperatura del metal (figura 44c), lo cual repercutió en la generación del defecto falta de llenado. Se identifico que este efecto es debido a una baja temperatura de vaciado, dicha variable debe ser incrementada debido a que el modelo de 12 piezas consume un volumen de metal más alto y registra un tiempo de vaciado mayor (11s). La temperatura homogénea es una buena característica del llenado para este tipo de piezas, puesto que se evitan contracciones desiguales en la etapa posterior de solidificación. Se presenta la condición de homogeneidad térmica por las características del flujo, el mismo fue muy parejo a través de todo el modelo encontrando que los diferentes frentes de metal que llenaban cada pieza consumieron el modelo establemente y llenaron el molde al mismo tiempo. En el análisis de concentración de defectos mostro un bajo nivel de concentración. Se indica en la figura 46 los resultados gráficos del análisis, en el mismo pueden ser vistas unas zonas claras que indican el área de mayor concentración, se observan varias zonas que presentan aparentemente una alta concentración, sin embargo se ve que los valores de concentración son bajos en los resultados numéricos. Figura 46. Análisis de concentración de defectos en discos de freno

a. b. Las áreas de mayor concentración de defectos según la simulación fueron evaluadas con análisis de rayos X sobre las piezas producidas en planta. Los resultados de este análisis indicaron que las piezas estaban libres de defectos, solo se presento en algunos casos carbono brillante y una microporosidad superficial que fue solucionada con el mecanizado. La figura 47 muestra el resultado del análisis por rayos X.

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Figura 47. Ensayo de Rayos X sobre pieza tipo LFC3

En cuanto a los niveles de presion el analisis indico que la variable se conservo uniforme, no se dieron efectos de formacion de barril ni desboronamientos de molde durante las pruebas en planta, lo cual indica que el flujo en el sistema de alimentacion es estable y los gases de degradacion son evacuados del sistema con agilidad. Análisis de la Solidificación De los resultados del análisis de solidificación se puede concluir que el nuevo sistema de moldeo es optimo en cuanto a distribución de temperatura, ya que la solidificación ocurre de forma homogénea en las piezas y la última zona en solidificar es el bajante, lo cual favorece la calidad de la fundición, puesto que el liquido remanente en el bajante sirve para alimentar la zonas donde existen contracciones en la pieza fundida. El tiempo total de solidificación hallado en la simulación es de 10 minutos, el cual concuerda con los ensayos realizados en la planta de producción. Debido a que la pieza no presenta gradientes de temperatura altos durante la solidificación se consigue un bajo nivel de rechazo y son erradicados los defectos originados en solidificación del metal tales como contracciones, micro y macro porosidad, grietas, entre otros.

112

Figura 48. Tiempo de solidificación para el modelo de 12 piezas tipo LFC3

a.

b.

c.

113

5. EXPERIMENTACIÓN EN PLANTA Y PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN

En búsqueda de dar validez a la simulación se realizaron pruebas en planta con las geometrías simuladas con el Software flow 3D, a su vez fueron evaluadas la piezas producidas con análisis de rayos X para verificar la ubicación de los defectos en las piezas fundidas, encontrando resultados coherentes con la información entregada por el software.

5.1 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN DE VACIADO DEL METAL EN PIEZAS TIPO LFC1 Se realizo una preproducción de 50 piezas en EPS, con las cuales de ensayo el armado y pintado de los árboles. Con éstos se practico el vaciado evaluando las características geométricas de las piezas metálicas, buscando las irregularidades que partían desde el modelo de espuma. Lo anterior sirvió para ajustar los moldes de espuma y optimizar el proceso de moldeo. En la figura 49 se muestra el registro de los ensayos realizados con las secciones de espuma fabricadas durante la preproducción de 50 piezas. Durante estos ensayos se ajustaron las variables del proceso hasta obtener unas piezas con la calidad adecuada. Se facilito el trabajo de esta fase con la implementación del software de simulación que permitió identificar las posibles zonas de defectos con las condiciones de proceso establecidas.

114

Figura 49. Ensayos de preproducción con modelos de espuma. a. Armado árboles, b. Recubrimiento refractario, c. Secado recubrimiento, d. Moldeo en arena y e. Fusión y desmoldeo

a.

b.

c.

d.

e. La preproducción de piezas tipo LFC2 durante la etapa de producción del poliestireno tuvo varios inconvenientes principalmente en el llenado de los moldes ya que la sección trasversal de los collares es muy pequeña. Se establecieron mejoras en los modelos y procesos productivos para al fin homologar un proceso controlado con todas las variables para la producción de estas piezas. No se muestra la producción de este tipo de piezas ya que al momento de finalizar este trabajo no se habían terminado de ajustar los moldes de producción de espuma para la pieza LFC2 En el caso de las piezas tipo LFC1 y LFC2, era distinto el objetivo del proceso de simulación y de pruebas de producción. Debido a que las piezas ya estaban siendo producidas por LFC la meta era mejorar la eficiencia de moldeo, que en un comienzo, cuando Cobral incorporo el proceso LFC, se situaba alrededor de

115

55%. Los nuevos diseños de sistemas de moldeo incluyen 12 piezas por árbol de moldeo, que remplazaron los anteriores que incluían 6 y 8 piezas. Así que se mejoro la eficiencia situándola en niveles cercanos al 90%. No se indican los resultados ni la información de los ensayos en planta de las piezas LFC1 y LFC2 debido a restricciones de divulgación por parte de la empresa productora.

5.2 CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS Y CONTROLES SOBRE LAS PIEZAS METÁLICAS Sobre el lote producido se realizaron pruebas de caracterización química, mecánica y morfológica con el objetivo de verificar la calidad de las piezas fundidas con los nuevos diseños de árboles de moldeo. Las pruebas fueron realizadas en los laboratorios de la UPB, Endicontrol Ltda. y Cobral Ltda. El ultimo cuenta en la actualidad con un laboratorio muy completo para la realización de pruebas y control de calidad de las piezas producidas por LFC. Los ensayos realizados para la identificación de las condiciones de proceso logradas con los nuevos modelos efectuados por Cobral se describen a continuación: •

Análisis metalúrgico: en este se analizó, para el hiero nodular, el nivel de inclusiones y las características de los nódulos, verificando su tamaño y cantidad. Gracias a este ensayo se encontraron algunos problemas de composición química por carburos en las bridas de la pieza tipo LFC1. Para solucionar esto se determino usar chatarras con bajos porcentajes de manganeso, cobre, estaño y otros elementos que estaban presentando este problema. La figura 50 muestra una imagen metalográfica de las brida de una pieza LFC1, en ésta se nota un tamaño de nódulo adecuado y una uniformidad de la microestrutura.

Figura 50. Micrografía óptica del hierro nodular producido por Cobral ltda

116

•

Composición química: se realizo un estudio de composición química durante un periodo de un año con el objetivo de controlar el proceso de fusión y adición de chatarra en los hornos y verificar el estándar solicitado en todas las piezas fabricadas. Estos parámetros fueron controlados diariamente y pudo ser identificada la variación mes a mes de los mismos, pudiendo rastrear, junto con los reportes de compras de chatarra, problemas de composición en el hierro o en la calidad de las chatarras. la figura 51 muestra la estadística de composición realizada durante el año de ejecución de estudio.

Figura 51. Estadística de composición por elemento para el hierro nodular en hidrantes y collares

•

Ensayos de tracción y dureza: igual que con el ensayo de composición química se realizo el estudio mes a mes para conseguir un histórico de las propiedades mecánicas del proceso y determinar que cambios en la tecnología LFC afectaron positivamente la calidad de las piezas. la figura 52 muestra los reporte de los ensayos de tracción y dureza efectuados sobre piezas tipo LFC1.

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Figura 52. Reportes mes a mes de las propiedades mecánicas encontradas en el hierro nodular utilizado en la producción de hidrantes y collares

•

Magnaflux: Este equipo entrego una herramienta útil para la identificación de micro grietas y defectos superficiales en el hierro debidos a enfriamientos acelerados. La prueba consiste en rociar unas partículas con propiedades magnéticas sobre la pieza, luego con el uso de una lámpara de luz negra y una bobina, que genera un campo magnético, se inspecciona la pieza identificando las zonas de mayor acumulación de partículas, que es donde se encuentran los defectos.

•

Verificación de temperaturas del hierro: uno de los principales parámetros a controlar en el proceso LFC es la temperatura de vaciado del hierro, la misma fue medida con sistemas de inmersión y ópticos que garantizaron un adecuado registro de esta variable para el set-up del software y control del proceso.

•

Velocidad de vaciado: se controla la velocidad de vaciado para cada diseño de árbol debido a que si se excede o es muy lenta pueden presentarse defectos por desmoronamiento del molde, alta turbulencia, inclusiones de hierro frío, entre otros. Para las piezas tipo LFC1 se uso una velocidad de vaciado de 17 Kg./seg. 118

Además de los ensayos para control de calidad y caracterización de defecto, se analizaron piezas en laboratorios internacionales para certificar la calidad e identificar otros tipos de defectos que no son posibles de evaluar con los métodos convencionales con los que se contaba. Se enviaron unas piezas para ser evaluadas por un laboratorio internacional mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X (XDS), ensayos que permitieron identificar micro defectos debidos al uso de parámetros inadecuados en el proceso LFC. La figura 53 muestra la sección analizada y el resultado mediante SEM de las piezas enviadas al exterior, en esta se observa la morfología del defecto a escala microscópica. Figura 53. Evaluación por SEM de la defectología. a. muestra de pieza enviada con defecto marcado, b. Imagen SEM (contraste topográfico) a 150x y c. Imagen SEM Backscatter Electron (contraste composicional) a 150x

a.

b.

c.

La composición química del defecto pudo ser evaluada en un posterior ensayo de difracción de rayos X, el cual identifico que el defecto se debía esencialmente a acumulaciones de pintura y arena en las zonas de unión del

119

ensamble del árbol de EPS. La solución a este problema fue implementar una inspección que garantizo la limpieza de los puntos de unión entre las secciones de espuma, principalmente bajantes y canales de alimentación. La figura 54 muestra el resultado del XDS realizado a la misma sección de la figura 55, se aprecia la diferencia de composición entre el metal base y el defecto. El resultado para el metal base muestra un gran contenido de hierro y aleantes, pero para el defecto se nota un gran contenido de sílice proveniente de la arena o el recubrimiento refractario (Figura 55). Figura 54. EDS realizado sobre el área del metal analizada

Figura 55. EDS realizado sobre defecto presente en sección analizada

120

Rayos X. Después de producir las muestras bajo las condiciones analizadas por simulación, se realizaron ensayos de rayos X para analizar la defectología de los árboles producidos y compararla con los resultados de la simulación. A continuación se muestra el resultado de estos ensayos para la pieza tipo LFC1. Descripción del ensayo: El ensayo fue realizado sobre una pieza de cada uno de los árboles fundidos lLFC-2X, LFC-3X y LFC-4X. El árbol H1X no fue analizado por no haber finalizado el llenado debido a problemas de desmoronamientos. El ensayo fue realizado en el laboratorio de la empresa Endicontrol Ltda con la siguiente ficha técnica: Pieza Clasificación Emisor de Radiación : Película, Espesor : Técnica

LFC1 3. Pieza de Cuidado Rayos Gamma, IR - 192,

Curios: 54

Clase: II Varios EPS / IPS DFP : 600 mm TE : Varios DEFECTOS EN FUNDICION

DEFINICIONES

CLASE DE DEFECTO

SEVERIDAD DE DEFECTOS

CLASIFICACIÓN DE FUNDICIONES

A. Porosidades Internas. B. Arrastres de Arena e Inclusiones de Escoria. C. Contracciones de Material. D. Grietas. E. Desgarres en Caliente. F. Inclusiones de Materiales.

Clasificación del 1 al 5.

1. Muy Delicadas 2. Piezas delicadas. 3. Piezas de cuidado 4. Soporta carga estática 5. Tapas y bases.

1. Poco severo 5. Severidad máxima

DFP : Distancia Fuente Película EPS : Exposición Pared Sencilla EPD : Exposición Pared Doble ICI : Indicador de Calidad de Imagen IPD : Interpretación Pared Doble IPS : Interpretación Pared Sencilla TE : Tiempo de Exposición DN : Diámetro Nominal

Para la prueba cada hidrante fue seccionado en tres piezas como lo muestra la figura 56

121

Figura 56. Secciones del hidrante para el ensayo de rayos X

Resultados: Pieza 1

LFC-2X

LFC-3X

LFC-4X

122

Pieza 2

LFC-2x

LFC-3X

LFC-4x Pieza 3

LFC-3X

LFC-2x

LFC-4x

123

Pieza 4

LFC-2x

LFC-3X

LFC-4x Los resultados del análisis son mostrados en la tabla 14. Tabla 13. Resumen de resultados ensayos de rayos x en piezas Tipo LFC1 ÍTEM 1

MUESTRA LFC-2X

PIEZA P1 P2

P3

2

LFC-3X

P4 P1 P2

P3

UBICACIÓN 0 – 23 cm 23 – 46 cm 46 – 0 cm 0 – 14 cm 14 – 28 cm 28 – 0 cm 0 – 23 cm 23 – 46 cm 46 – 0 cm 0 – 14 cm 14 – 28 cm 28 – 0 cm

P4

124

DEFECTOLOGIA SEVERIDAD B 1

CALIFICACIÓN Aceptable

C C

4 5

Rechazable

B B

1 2

B B B B, C C B B

4 2 5 5 5 1 2

Rechazable Aceptable Rechazable

C

5

Rechazable

Aceptable

Aceptable

ÍTEM 3

MUESTRA LFC-4X

PIEZA P1 P2

P3

UBICACIÓN 0 – 23 cm 23 – 46 cm 46 – 0 cm 0 – 14 cm 14 – 28 cm 28 – 0 cm

P4 TOTAL 3 piezas

24 Películas

DEFECTOLOGIA SEVERIDAD B 1 C 5 C 5 C 2

CALIFICACIÓN Aceptable Rechazable

Aceptable B

1

C

5

Rechazable

CÓDIGO DE CALIFICACIÓN : ASTM E446

Nota: En la pieza 3 se tomó radiografía a la boca de entrada (señalada con flecha en la foto). En la pieza 2 se hizo énfasis en el anillo de refuerzo interior Los resultados del análisis de rayos x dieron validación al modelo propuesto para el análisis mediante simulación numérica, puesto que se evidenciaron defectos en las piezas reales en los puntos predichos por el análisis numérico. Igualmente, con estos resultado se pudo establecer que los defectos que se generan principalmente son los de arrastre de arena, inclusiones de escoria y contracciones debidos primordialmente al flujo turbulento generado al degradarse la espuma, lo cual fue comprobado ya que el modelo LFC-2x fue el que presento el mayor nivel de defectos y fue donde se dio el flujo mas turbulento e irregular. .

125

6. IMPLEMENTACIÓN DE LOS RESULTADOS ARROJADOS POR LA SIMULACIÓN DENTRO DEL PROCESO PRODUCTIVO EN LA PLANTA DE LFC Y RECOMENDACIONES PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO BASADAS EN LA SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC

Dentro de las actividades del presente trabajo de tesis se realizaron modificaciones y mejoras sobre el proceso LFC en Cobral Ltda., lo anterior con la ayuda del análisis de los resultados arrojados por el Software. Las modificaciones y mejoras sobre el proceso se listan a continuación. • • •

Cambios del sistema de moldeo Cambios productivos y de distribución de planta Estudio del recubrimiento refractario: Se elaboro un estudio sobre el recubrimiento refractario en búsqueda de encontrar la permeabilidad adecuada para el proceso y así evitar los defectos por sobre presión en el sistema de alimentación.

6.1 CAMBIOS EN EL SISTEMA DE MOLDEO Con los resultados de la simulación se detectaron algunas irregularidades de flujo durante el llenado del molde como altas turbulencias y frentes de metal desiguales, las cuales fueron solucionadas realizando cambios geométricos en el modelo. Las modificaciones realizadas en los sistemas de alimentación de metal, se fundamentaron en la variación de los ángulos y las áreas de ingreso del metal fundido. En la tabla 14 se listan las modificaciones que fueron realizadas sobre los modelos de espuma. Tabla 14. Modificaciones realizadas sobre los árboles de Cobral Ltda Modificación

Parámetro mejorado

Geometría uniforme en secciones sistema alimentación de metal Ángulos entre la acomodación de las piezas

Disminuir turbulencia dentro del sistema y lograr un flujo más uniforme • Puntos calientes • Grietas

Espesor zona ingreso de metal

Fluidez del metal

Viscosidad refractario

del

recubrimiento Disminuir la presión de gas entre la espuma y el frente de metal

Altura del bajante cerámico

Aumentar la presión metalostática

Orientación de una pieza respecto a Facilitar el llenado del molde y obtener un la otra. solo frente de metal Densidad de poliestireno

los

modelos

en

Inclusiones no metálicas en las piezas

126

Durante el proceso de vaciado del molde, se estaban observando tiempos de llenado por encima de 20 segundos, lo cual es perjudicial para la calidad del producto, puesto que pueden presentarse hierro frío, falta de flujo y carbono brillante. Con el análisis de simulación se identificaron problemas de flujo en el canal de distribución de metal, que anteriormente tenía una sección transversal que disminuía conforme se acercaba a la entrada de metal en la pieza. Por tal motivo se diseño una nueva sección transversal, de geometría constante que permitía un flujo más uniforme. Dicha modificación dio solución a los defectos mencionados, evidenciados en la etapa de granallado y limpieza. La figura 57 muestra los canales modificados para el sistema de hidrantes. Figura 57. Sistema de alimentación para la fabricación de piezas tipo LFC1

Con la identificación de los puntos de mayor concentración de defectos debidos a acumulación de gases y productos de la degradación del modelo de espuma, en los modelos de hidrantes y collares, se decidió aumentar la permeabilidad del recubrimiento refractario disminuyendo la viscosidad del mismo. Se realizaron entonces lotes de producción con pinturas a 1400cp, 500cp por debajo de lo estandarizado, encontrando que se disminuían los defectos por la acumulación de los productos de degradación de la espuma, pero se presentaban defectos por inclusiones de arena. Por tal motivo se decidió pintar el modelo de espuma en la zona del sistema de alimentación de metal con pintura a 1600cp y la geometría de la pieza con pintura a 1900cp, encontrando una disminución significativa de los defectos debidos a la degradación de la espuma y de los defectos por desmoronamiento del molde debido a la alta presión de gas en el espacio formado por la espuma y el frente de metal durante el vaciado. El mayor impacto generado ha sido la gran disminución de los defectos presentes en las piezas tipo LFC1 producidos en LFC contra las piezas producidas anteriormente en el sistema de fundición convencional anterior. Teniendo en cuenta también de que muchos de las piezas que se fabricaban

127

por fundición tradicional pasaban como aprobados en calidad, bajo el método actual serían rechazados; es decir; la implementación de las mejoras en el proceso incremento fuertemente los criterios de Calidad para la compañía al punto no solo de exigir productos buenos técnicamente (sin poros, rechupes, etc.) sino también productos de excelente apariencia. A su vez y referente también a la calidad del producto terminado, las piezas anteriores después de la fase de desmoldeo, pasaban por unos largos y costosos problemas de limpieza, en donde por métodos abrasivos, había que remover excedentes de material depositados fundamentalmente en las líneas de partición y señales de matacho, lo que incrementaba los costos y hacia muy demorado el proceso. Con las piezas por LFC, simplemente pasan por la granalladora, un proceso de inspección visual y quedan listos para ser despachados para los procesos de mecanizado, pintura y ensamble final. Los Rechazos internos en el sistema de fundición convencional eran en promedio del 11.5 %, siendo las principales causas las mostradas en la figura 58 siguientes: Figura 58. Rechazos en la producción de piezas por fundición tradicional en arena verde

Se realizo un trabajo importante en el rastreo de los tipos de defectos presentes en la producción de piezas por la técnica LFC implementada en la planta de fundición. Se tomaron los datos estadísticos de los niveles de rechazo de las antiguas referencias de piezas, fabricados por fundición convencional, como parámetro de comparación para verificar la correcta evolución de la calidad en la planta luego de la implementación del proceso LFC. La figura 68 muestra la estadística de distribución de defectos por tipo de defecto. Al iniciar el proceso LFC para las distintas referencias, durante los meses de prueba, se tienen rechazos del orden del 8%, en esta etapa del proceso se realizaron ajustes y correcciones a los modelos y al sistema de producción en

128

general para comenzar a partir del mes 4 de implementación con un rechazo promedio de 4.5%. Es en esta etapa donde jugó un papel importante el análisis numérico mediante simulación del proceso al permitir evaluar la modificaciones para los sistemas de moldeo, indicando los puntos de alta defectologia y las condiciones de flujo de metal. Al analizar ese porcentaje de defectos, se encontró que un 65% del total de los defectos corresponde a problemas de flujo en el material y a una acumulación de carbón brillante en la parte superior de las piezas, donde finaliza el llenado. Ayudándose con la simulación numérica se rediseñaron los canales de alimentación inferiores, se hicieron ensayos de validación y nuevos ajustes, llegando a valores de rechazo minimos promedio del 2.0 %.(figura 58). La figura 59 muestra una estadística mes a mes del % de rechazo en la línea de producción de piezas luego de la implementación del proceso LFC. Se nota que durante los meses de implementación que el porcentaje de rechazo rondaba el 8% en total y al final de la investigación se consiguieron niveles de rechazo del 2%. A mediados de agosto y septiembre se aprecia un incremento del porcentaje de rechazo, el cual se explica puesto que en esos meses se realizo la implementación de la pintura refractaria desarrollada. Figura 59. Porcentaje de rechazos mes a mes para las piezas producidas por LFC en una planta de producción Colombiana

129

En el momento de finalización del trabajo de tesis se planteo la simulación de un modelo de 6 piezas tipo LFC1por árbol de moldeo. Este modelo se encuentra en la actualidad en evaluación para aumentar la eficiencia de moldeo y generar mayor productividad en el proceso LFC. la figura 60 muestra una imagen del modelo modelado en software Flow3d Figura 60. Modelo de 6 piezas por árbol para la producción

6.2 RRECUBRIMIENTO REFRACTARIO Debido a que se identificaron aumentos de presión excesivos durante el vaciado en el análisis de la simulación y acorde con las estadísticas de defectología presentes en la planta, se decidió asumir el reto de mejorar las condiciones del recubrimiento refractario usado en Cobral. El objetivo del estudio que a continuación se presenta era desarrollar junto un proveedor el recubrimiento refractario que se adaptara a las condiciones de proceso de Cobral ltda. 6.2.1 Análisis de información de pintura refractaria importada y estudio de componentes de la pintura refractaria existente Descripción del proceso de pintado de modelos: Los recubrimientos refractarios son sistemas complejos de componentes suspendidos, barros tixotrópicos en un agente portador, usualmente agua. La permeabilidad de los recubrimientos se da a partir del tamaño y forma del refractario utilizado, los más usados son: sílice, alúmina, mica, zircón, cromita y aluminosilicatos complejos. El refractario resiste la penetración y la reacción con el metal. El recubrimiento contiene un dispersante para mantener el refractario en suspensión en el barro.

130

No hay reglas que indiquen la selección del mejor recubrimiento para cualquier aplicación en particular. Es indispensable que sean probadas diferentes formulaciones del recubrimiento antes de que se tengan los parámetros finales en conjunto. Una vez la formulación básica ha sido probada, pequeñas variaciones en la densidad de la mezcla pueden ser útiles para optimizar el recubrimiento para la aplicación. Esto determina la dilución del recubrimiento en la aplicación y afecta el espesor de este44 45. Los recubrimientos son suministrados en forma de barro y deben ser diluidos y agitados antes de que estén listos para ser adicionados al recubrimiento ya existente en el tanque. La densidad no debe ser chequeada hasta que el recubrimiento sea mezclado uniformemente por lo menos durante 10 a 15 minutos. Todos los recubrimientos recomendados para LFC son tixotrópicos, es decir; los recubrimientos son formulados para que brinden un espesor uniforme, aún sobre las superficies complejas. La aplicación del recubrimiento refractario en Cobral Ltda. se hace normalmente sumergiendo el modelo de EPS en un baño de recubrimiento refractario, éste debe garantizar que el modelo de espuma sea recubierto uniformemente sin fracturarlo, escurrirse o permitir la penetración de aire. El baño de recubrimiento debe ser bien controlado y el proceso de inmersión debe ser desarrollado cuidadosamente para asegurar el apropiado revestimiento del árbol. La pintura refractaria usada por muchos años en Cobral Ltda. ha sido Polyshield P2350 producida por HA International (Borden) y estaba siendo importada en tanques de 1.628 kg. El consumo promedio de la pintura es de 7.000 kg/mes, su presentación es en pasta de color azul y posee las siguientes características: • • • •

Composición: Al2O3 1-5%, tierra de fuller 1-5%, mica 5-10%, SiO2 1-5% Presentación: barro refractario o polvo diluible en agua. Viscosidad: 3000-8000 cps. pH: 6-8.

La ficha técnica de la pintura HA Poly-Shield es mostrada en la figura 61.

44 45

FERNÁNDEZ, Fundición a la Espuma Perdida, Cartilla de proceso, Op. Cit., p. xx AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION, Op. Cit., p. xx

131

Figura 61. Ficha técnica de la pintura refractaria usada por Cobral Ltda

En la producción de todas sus piezas antes de implementar el nuevo recubrimiento desarrollado para las piezas de hierro nodular. 6.2.2 Estudio de propiedades de la pintura refractaria existente. En búsqueda de la optimización de la etapa del proceso de pintado de los modelos de espuma con recubrimiento refractario dentro del proceso LFC, fueron realizadas pruebas de mojabilidad (búsqueda del ángulo de contacto) entre las diferentes marcas de pintura y el EPS utilizado en la producción de los modelos. El ensayo consiste en depositar una gota de pintura refractaria sobre una superficie de EPS para medir el ángulo de contacto entre la gota y la superficie sólida. Esta medición facilita la predicción de como la pintura, con viscosidad y densidad determinadas, se esparcirá o mojará la superficie del EPS. Debido a que el proceso LFC depende en gran medida de la calidad de la capa de recubrimiento refractario, en cuanto al espesor y la homogeneidad del recubrimiento, el análisis del ángulo de contacto permite predecir el comportamiento de la pintura durante el proceso de pintado de los modelos. Igualmente, al garantizar un ángulo de contacto adecuado se asegura que la pintura se adhiere adecuadamente a la espuma sin dejar zonas blancas que pueden generar defectos durante el vaciado del metal.

132

Pruebas de mojabilidad: En el Laboratorio de Caracterización Térmica de la Universidad Pontificia Bolivariana se realizaron pruebas de mojabilidad sobre superficies de EPS con la pintura cerámica de marca HA usada actualmente por Cobral, encontrando el ángulo de contacto para cada sistema. Se efectuaron pruebas en pinturas cuyas características fueron alteradas para encontrar los parámetros que entregaran las mejores características de mojado sobre la espuma. Los ensayos realizados utilizaron pinturas con diferentes densidades y viscosidades, utilizando mezclas de agua y pintura con diferentes proporciones, como se muestran en la tabla 16 junto con las densidades de cada sistema. Tabla 15. Condiciones ensayo de mojabilidad sobre pintura refractaria Pintura HA Medición Valor W 14,25 Vol 10 Densidad 1,42 Viscosidad 1900 HA 1/2 H2O Medición Valor W 31,98 Vol 30 Densidad 1,07 Viscosidad 1200 HA 1/1,5 H2O Medición W Vol Densidad Viscosidad

Valor 28,29 25 1,13 1400

HA 1/1 H2O Medición Valor W 25,44 Vol 20 Densidad 1,27 Viscosidad 1500 HA 2/1 H2O Medición Valor W 37,96 Vol 30 Densidad 1,27 Viscosidad 1600

Und g ml g/ml cp Und G Ml g/ml cp

Und g ml g/ml cp Und g ml g/ml cp

Und G Ml g/ml cp

El volumen de las gotas empleadas en todos los casos fue de 5 µl, y fueron medidas y dosificadas con una micropipeta Transferpette® de BRAND. El equipo empleado en la medición del ángulo de contacto es un Fotomicroscopio OCA15LTH plus HTF1200 de Dataphysics, con software SCA20. Cada medición se llevó a cabo a temperatura ambiente (23°C) y atmósfera normal, realizándose grabaciones del ángulo de contacto de los sistemas sólido/gota en reposo a una velocidad de 25 cuadros/s (cada 0.04 s). Los ángulos de contacto reportados fueron calculados como el promedio de los datos inicial y de equilibrio. A continuación se muestran los resultados del ensayo para las pinturas que generaron un mejor mojado y adherencia sobre el EPS

133

EPS/Pintura HA a 1600cp

EPS /1 H2O 2 HA (Ángulo inicial) Ángulo inicial [°] 68,10 Desviación

4,93

Máximo [°]

73,70

Mínimo [°]

64,40

Rango (±) [°]

4,65

EPS 1 H2O 2 HA (Ángulo de equilibrio) Ángulo inicial [°] 45,33 Desviación

2,82

Máximo [°]

49,10

Mínimo [°]

42,20

Rango (±) [°]

3,45

θ (°)

POREX - Pintura 1 H20 2 HA 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

Tiempo (s)

134

12,0

13,0

14,0

15,0

16,0

17,0

18,0

19,0

20,0

EPS/Pintura HA a 1900cp

EPS/Pintura HA (Ángulo inicial) Ángulo inicial [°]

71,97

Desviación

8,78

Máximo [°]

81,10

Mínimo [°]

63,60

Rango (±) [°]

8,75

EPS /Pintura HA (Ángulo de equilibrio) Ángulo inicial [°]

46,67

Desviación

2,97

Máximo [°]

51,10

Mínimo [°]

43,50

Rango (±) [°]

3,80

θ (°)

POREX - Pintura HA 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

12,0

13,0

14,0

15,0

16,0

17,0

18,0

19,0

20,0

Tiempo (s)

Como se observa de los ángulos de contacto iníciales menores a 90°, todos los sistemas mostraron mojado espontáneo. Las variaciones repentinas y locales del ángulo de contacto se deben a perturbaciones en la dinámica del sistema debido a imperfecciones en las superficies, lo que genera inestabilidad en el perfil de la gota que el software estima dentro de sus cálculos. Debido al proceso de conformación del EPS, éste presenta irregularidades superficiales que pueden generar histéresis del ángulo de contacto.

135

El sistema EPS-pintura HA con 1900 cp de viscosidad, presentó los mayores valores de ángulo de contacto inicial y de equilibrio de 71.97° y de 46.67°, respectivamente; mientras que el sistema EPS-pintura HA con 1600Cp de viscosidad presentó los menores ángulos de contacto, con valores de 68.1° (inicial) y 48.33° (equilibrio). Lo anterior indica que el sistema de 1600 cp genera un mayor esparcimiento sobre la superficie de EPS sin embargo, se presento una mejor adherencia a la superficie de EPS por parte del recubrimiento con 1900 cp, debido a que este contaba con una mayor viscosidad, lo cual le permite a la pintura fijarse mejor a las superficies del modelo. Los resultados de mojabilidad de la pintura suministrada por HA indican que se presenta un mojado adecuado de la superficie pero que el sistema pintura-EPS tiene un comportamiento similar al de un sistema de adherencia media, lo cual da cabida a que puede ser mejorada la mojabilidad del sistema disminuyendo la viscosidad del fluido. Sin embargo, para el estudio respectivo debe ser tenido en cuenta que para lograr una mejor mojabilidad, la pintura debe contar con menor viscosidad, lo cual puede causar durante el proceso de pintado un escurrimiento de la pintura sobre la espuma generando zonas blancas que en el momento del vaciado generan inclusiones de arena. Por otra parte, cabe notar que al evaporarse el agua en la que viene diluido el recubrimiento se genera una capa sólida de cerámicos que cubren la superficie del EPS. Por tanto, un ángulo de mojado pobre generaría que las partículas cerámicas del recubrimiento no se esparzan adecuadamente en la superficie de la espuma formando capas más gruesas del mismo, que finalmente son perjudiciales para la calidad del proceso, debido a que presentan menor permeabilidad que un recubrimiento delgado posibilitando la aparición de defectos por acumulación de gases (carbono brillante y poros). 6.2.3 Formulación preliminar y ensayos del recubrimiento formulado. Fue realizado contacto con un nuevo proveedor internacional para el estudio del recubrimiento necesario para la producción de piezas por LFC. El nuevo proveedor es Foundry Coatings Inc (FCI), con quienes se realizó un intercambio tecnológico muy interesante en la tecnología de recubrimientos refractarios. Esta empresa abrió las puertas al grupo investigativo, permitiendo una visita en su planta de Birmingham, Alabama. Visita en la cual se expuso el caso e irregularidades de los recubrimiento ensayados para las piezas por LFC, se planteo una estrategia de trabajo y se consiguieron muestras de un recubrimiento de características similares a las necesarias para LFC. Con las muestras obtenidas durante el viaje a Birmingham, se realizaron ensayos para evaluar la calidad de las piezas. Dicho proceso fue apoyado por un técnico de origen ruso, ILYA LEVIN, que viajo hasta la planta para apoyar el proceso de implementación del recubrimiento ofrecido por FCI. Luego de realizar algunos ensayos con diferentes recubrimientos se dio inicio a una serie de ensayos utilizando un recubrimiento comercializado por FCI, similar al empleado por una empresa americana productora de válvulas, el cual dio

136

excelentes resultados logrando una disminución desde el 11% a un 2% los índices de rechazo causados por defectos de carbón lustroso presentados en la superficie superior de las piezas. Se aduce que los resultados satisfactorios fueron obtenidos gracias a la mayor permeabilidad del recubrimiento y a las mejores propiedades de aglutinación. Al igual que con la pintura de HA usada para la producción de piezas tipo LFC3 y LFC, el nuevo recubrimiento de FCI también fue sometido a pruebas de mojabilidad. Se realizaron pruebas de ángulo de contacto sobre diferentes superficies de EPS con pintura FCI para diferentes viscosidades. El volumen de las gotas empleadas en todos los casos fue de 5 ml, las cuales fueron medidas y dosificadas con una micropipeta Transferpette® de BRAND. A continuación se indican los resultados. EPS/Pintura FCI a 1900cp EPS/FCI (P1) (Ángulo inicial) Ángulo inicial [°] Desviación Máximo [°] Mínimo [°] Rango (±) [°]

83,23 2,54 84,80 80,30 2,25

EPS/FCI (P1) (Ángulo de equilibrio) Ángulo inicial [°] Desviación Máximo [°] Mínimo [°] Rango (±) [°]

56,07 1,39 57,30 54,10 1,60

θ (°)

POREX - Pintura FCI 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

Tiempo (s)

137

12,0

13,0

14,0

15,0

16,0

17,0

18,0

19,0

20,0

1. EPS / 1.5 H2O 3 FCI 1600cp EPS /1.5 H2O 3FCI (Ángulo inicial) Ángulo inicial [°] 53,70 Desviación

27,07

Máximo [°]

80,20

Mínimo [°]

26,10

Rango (±) [°]

27,05

EPS /1.5 H2O 3FCI (Ángulo de equilibrio) Ángulo inicial [°] 31,08 Desviación

2,59

Máximo [°]

34,80

Mínimo [°]

29,20

Rango (±) [°]

2,80

Fue analizado el ángulo de contacto para el recubrimiento de FCI de acuerdo a los mismos parámetros evaluados en el recubrimiento de HA. Para el nuevo recubrimiento todos los sistemas mostraron mojado espontáneo con ángulos de contacto iniciales menores a 90°. El sistema EPS -pintura FCI presentó los menores valores de ángulo de contacto inicial y de equilibrio con la pintura de 1600 cp, con 53.7° y 31.08°, respectivamente; mient ras que el sistema EPSpintura FCI 1900 cp presentó los mayores ángulos de contacto, con valores de 83.23° (inicial) y 56.07° (equilibrio). Igual que e n la anterior pintura analizada, un mayor ángulo de contacto permite un mejor esparcimiento de la pintura en la superficie de EPS, pero en algunos casos puede escurrirse y posibilitar zonas blancas sin recubrimiento. Con los resultados del ensayo de mojabilidad se pudieron encontrar los parámetros (viscosidad, densidad y proporción agua-pintura) adecuados para la preparación de la pintura antes del proceso de pintado. Con las características establecidas, la pintura refractaria muestra una mojabilidad adecuada de la espuma generando un recubrimiento de espesor homogéneo sin zonas blancas y que se adhiere apropiadamente a la superficie de la espuma.

138

Ensayos de proceso Como fue mencionado, los ensayos realizados sobre el recubrimiento refractario desarrollado por FCI contaron con el acompañamiento de un asesor internacional. En dichos ensayos se evaluaron todas las etapas del proceso. Los ensayos realizados se muestran en la figura 62. Figura 62. Ensayo sobre recubrimiento refractario formulado, a. Secado de la pintura refractaria FCI y Bach, b. arol finalizado y c. Ensamble con pintura FCI

a.

b.

c.

6.3 CAMBIOS EN LA CONFIGURACIÓN PRODUCTIVA DEL PROCESO LFC •

Materia prima, poliestireno

Al iniciar la fabricación de modelos de espuma para el desarrollo de las nuevas referencias por LFC se utilizó el poliestireno usado para la fabricación de autopartes, el cual presentaba un gran tamaño de grano en su estado preexpandido, afectando la apariencia y calidad de las nuevas piezas de la liena de fluidos LFC1 y LFC2. Por lo cual fue conseguido un nuevo proveedor de PS que suministro el material en un tamaño de grano más pequeño (0.5–0.8 mm) que satisface los requerimientos estéticos y de calidad para las piezas tipo LFC1

139

•

Armado del árbol y control de calidad de la espuma

Con el objetivo de mejorar la calidad de los productos fabricados por LFC en Cobral, bral, fue rediseñada el área moldeo y armado de los arboles de EPS. En ésta fue cambiado el techo para instalar tejas de policarbonato que permiten la entrada de luz natural. Así mismo, las tejas Eternit fueron pintadas de blanco para ayudar a reflejar la luz hacia el interior de la bodega (figura 63). Figura 63. Mejoras en la iluminación de la planta, a. antes de la reforma y b. luego de la reforma

a.

b.

Debido a las mejoras en el ambiente de trabajo se detectó un incremento de la productividad en todos los operarios del área y la reducción de los problemas de calidad por ensamble y pegado. Además, fueron identificados con mayor facilidad los defectos en las l piezas moldeadas. •

Almacenamiento del poliestireno después de preexpandido

Con la reestructuración del área de moldeo de EPS fue construido un mezanine en concreto para el almacenamiento de los blancos y facilitar así su secado, ubicación y clasificación clasificación de una manera ordenada y segura (figura 64). 6 Figura 64. Reorganización zona almacenamiento de espuma, a. Guacales ubicados en medio de la zona de moldeo antes de la remodelación y b. nuevo mezanine de almacenamiento de blancos blan

a.

b.

140

•

Recubrimiento refractario

La implementación de los resultados obtenidos durante el estudio sobre las pinturas refractarias reflejó un incremento en la calidad del producto y una disminución de rechazos debidos a defectos en la etapa de pintado. Los defectos que anteriormente aparecían por deficiencias en la etapa de pintado eran: • • •

Falta de permeabilidad Carbono Brillante Sinterizado de arena

Durante la degradación del modelo (pirolisis de la espuma por parte del metal fundido) se estaba presentado que los productos de la reacción del modelo gases combustión y condensados de humedad no se evacuaban correctamente a través del recubrimiento refractario, generando un sin número de defectos como acumulación de carbono en forma de líneas, principalmente en las zonas de mayor sección trasversal y en la parte superior de las piezas, y carbono brillante acumulado generalmente en la brida de ensamble y bocas del hidrante. El defecto de carbono brillante se observa en la figura 65. Figura 65. Defecto de carbono brillante. a. pieza con el defecto y b. pieza sin el defecto

a.

b.

Se detecto que los anteriores defectos eran ocasionados por falta de permeabilidad del recubrimiento, lo cual fue estudiado durante el desarrollo de la pintura con la empresa Foundy Coatings Inc. Durante el proceso de implementación del recubrimiento se analizo y corrigió el problema con la nueva pintura desarrollada. Fueron realizados ensayos con diferentes viscosidades de pintura hasta lograr una adecuada calidad de los productos fundidos. Luego de la implementación del proceso LFC para la fabricación de nuevas referencias y mejorada la productividad pudo ser disminuida la tasa de rechazo por los defectos de carbono brillante y acumulación de carbono hasta niveles del 2%, porcentaje que anterior al desarrollo de la nueva pintura se encontraba en 9% 141

Así mismo, el desarrollo de un nuevo recubrimiento para la línea de productos tipo LFC1 y LFC2 en Cobral ltda, permitió que los problemas por arena sinterizada adherida a la pieza fueran reducidos al mínimo, disminuyendo el costo de limpieza de las piezas fundidas. La figura 65 muestra la zona del hidrante donde se presentaba, antes de la implementación del recubrimiento, la mayor acumulación de arena sinterizada. Este problema no ocasionaba rechazos pero si hacía muy costoso el proceso de limpieza. Figura 66. Defecto de sinterización de arena en entradas de metal

Se concluyo luego de varios ensayos que el recubrimiento complementado funcionaba correctamente. Sin embargo se presentaron algunos casos de acumulación de arena sinterizada, lo cual se debía a que la agitación del recubrimiento se realizaba por 30 minutos cada 2 horas y las recomendaciones recibidas por el fabricante mencionaban una agitación constante del recubrimiento. Por tal motivo, fue implementado un nuevo diseño del sistema de agitación de la pintura refractaria, haciendo que, después de la primera colada usando el sistema de agitación, el defecto por sinterizado desapareciera y se facilitara la limpieza de las piezas. Figura 67. Modificación del sistema de agitación del recubrimiento

Agitador

Despues

Antes

142

•

Arena y moldeo

La permeabilidad de la arena es uno de los aspectos más importantes del proceso LFC, debido a que muchos defectos son debidos a la difícil evacuación de los gases en sistemas de baja permeabilidad. Lo anterior, pudo ser comprobado en las simulaciones del proceso LFC realizadas con la herramienta Flow 3D, así mismo con los ensayos de validación de los hidrantes. También fue realizada una indagación acerca de las características de la arena, se comprobó que las características morfológicas de ésta eran las adecuadas pero la granulometría tenía una distribución equivocada, aun teniendo un índice AFS muy similar al usado por estas fundiciones. En correspondencia a lo detectado, fue implementado un control diario de granulometría sobre la arena, en el cual se buscaba tener una arena ubicada en su mayor parte en la malla 40 manteniendo en el mínimo posible los resultados en las mallas 70, 140 y 200. Los resultados de este control permitieron evaluar la efectiva acción de la adición de arenas nuevas en cada recipiente de moldeo antes de extraer las piezas, consiguiendo que hoy en día la arena utilizada en el sistema de recirculación se encuentre en las condiciones ideales de permeabilidad para un sistema de LFC. La figura 68 muestra la ficha diseñada para el control diario de la arena de proceso. Figura 68. Ficha para el control de granulometría en arenas

.

143

Igualmente, se realizaron estudios acerca de la influencia de la vibración en la permeabilidad y compactibilidad del sistema, los cuales han permitido que fueran implementadas mejoras en las masas vibratorias del sistema de moldeo para conseguir las fuerzas de compactación adecuadas para cada pieza evitando el sinterizado por carencia de compactación, la deformación de las piezas y baja permeabilidad del sistema por exceso en la vibración. La figura 69 muestra las masas instaladas en el sistema de vibración para conseguir las fuerzas de compactación adecuadas en cada pieza. Figura 69. Masas vibratorias ubicadas en las volantes de las mesas vibratorias

Igualmente, para lograr una calidad adecuada en las piezas producidas por LFC la temperatura de la arena debe situarse en el rango 30 – 40 °C. Por tal motivo fue rediseñado el sistema de enfriamiento de arenas. A éste se le implemento una torre de enfriamiento adicional (figura 70) que logro disminuir la temperatura de la arena de 45°C aproximadamente al rango 30 – 35 °C. Esta mejora disminuyo el defecto por sinterizado de la arena. Figura 70. Nuevo diseño del sistema de refrigeración de arenas

144

•

Estudio de indicadores de producción

La implementación del proceso LFC aumento considerablemente (500%) la capacidad de producción de las piezas tipo LFC1 mensualmente de las empresas Cobral y AVA. Mediante el desarrollo de los moldes para la fabricación de las piezas LFC1, se pudo incrementar considerablemente la fabricación de modelos respeto al sistema anterior, en donde se había llegado a una producción máxima de 400 piezas LFC1 por mes. Como se menciono anteriormente, con el soporte del software Flow 3D para la simulación del el proceso de fusión y solidificación de las piezas por LFC, se obtuvo una eficiencia de moldeo superior al 80%, la cual facilito el incremento de la capacidad de producción de la zona de fusión llegando a 2200 piezas LFC 1 / Mes. En el caso de las piezas tipo LFC3 y LFC4 la eficiencia de la fundición pasó de 52% a un 70% y la eficiencia de moldeo aumento en un 44% ya que antes se producían 8 piezas por molde y ahora se producen 12

145

7. CONCLUSIONES •

Los efectos de la permeabilidad del recubrimiento deben ser incluidos en la simulación por medio de la modificación del coeficiente de transferencia de calor metal–espuma. Por consiguiente, es prioridad implementar un método para determinar este coeficiente según las condiciones del proceso a analizar, buscando optimizar la simulación realizada. Es preciso además, que sean generados nuevos diseños en los modelos de EPS, donde la prioridad principal sea la conservación de un único frente de metal, buscando obtener la mínima cantidad de gases atrapados, bajos gradientes de temperatura y homogeneidad en el flujo para zonas geométricamente complejas.

•

A su vez la claridad que se tenga del fenómeno a simular y las causas y efectos de la defectología asociada al proceso LFC son la clave para identificar las irregularidades mostradas por el análisis de simulación

•

Es de importancia el arreglo matemático para modelar de un fenómeno complejo como es la degradación de la espuma durante el vaciado en LFC, en búsqueda de producir unos resultados ideales a nivel de la simulación matemática.

•

Es notable que el uso de herramientas computacionales, para la simulación numérica de procesos de fundición, permite una reducción en el tiempo de puesta a punto de moldes y modelos. Igualmente, se elimina el procedimiento de ensayo error disminuyendo los costos de fabricación para nuevas piezas.

•

La variación en el tamaño de grano y el nivel de compactación de la arena modifican sobremanera el coeficiente de transferencia de calor y la conductividad térmica del sistema. Por tal motivo debe encontrarse el valor optimo para estas variables y tratar de mantenerlo ajustado sin que haya una variación entre coladas. Puesto que esta variable es la que más influye en la solidificación, al no estar controlada, la calidad de la pieza fundida puede quedar afectada.

•

Los defectos encontrados en las piezas producidos durante los ensayos de validación, muestran que los gases formados durante la degradación de la espuma son los principales generadores de defectos, evidenciándose en gran cantidad poros por gases atrapados y carbono brillante, los cuales coinciden en ubicación con los mapas de concentración de defectos obtenidos analíticamente.

146

•

La simulación del proceso LFC para la geometría de la pieza LFC1 sirvió para determinar y ajustar algunos parámetros del proceso. Logrando simular árboles que presentaban diferentes eficiencias de moldeo y productividad, lo cual permitió seleccionar las mejores condiciones de proceso.

•

Se estudió la implementación del la técnica LFC en la producción de de la pieza LFC2, para lo cual fueron realizadas las simulaciones con Flow 3D, encontrando que a diferencia de la pieza LFC1, el diseño propuesto no gozarían de las ventajas que ofrece la técnica LFC y que, por el contrario, la producción por LFC seria desventajosa debido la presencia de una alta variabilidad dimensional del producto final.

•

Fue encontrado mediante simulación que para las configuraciones de los árboles de espuma la geometría de la pieza LFC2 hace que se presente un enfriamiento desigual en diferentes zonas del molde, generando contracciones severas que sacan las piezas de las medidas estandarizadas. Es decir, la relación de espesor contra dimensión de los collares provocaría deformaciones considerables en éstos que imposibilitarían su funcionamiento en los sistemas de tubería en los que deben acoplar perfectamente.

•

Se comprobó que el recubrimiento de FCI cuenta con características mejoradas para la producción de hidrantes en hierro nodular por LFC, debido a que entrega una mayor permeabilidad y una capa más resistente que la del recubrimiento ofrecido por HA. El mojado y la adherencia del nuevo recubrimiento permiten una manipulación más fácil de las piezas y al poseer mayor permeabilidad es apto para la fundición de hierro nodular, ya que se manejan mayores temperaturas que las usuales en fundición de hiero gris. Por tal motivo, se implemento en Cobral el uso de los dos recubrimientos, uno para el uso en la producción de piezas en hierro gris (HA) y el otro en la producción de piezas en hierro nodular (FCI)

•

La permeabilidad del recubrimiento refractario en el proceso LFC juega un papel radical en la calidad de las piezas fundidas, ya que una baja permeabilidad disminuye la transferencia de calor metal-espuma e incrementa la cantidad de poros en la pieza final. Mediante simulaciones en Flow-3D se pudo predecir que un gran porcentaje de defectos se ocasiona por los productos de la degradación del modelo que viajan con el frente de metal hasta finalizar el llenado. Estos se alojan y disminuyen las propiedades del metal.

•

Se analizaron los indicadores de producción de hidrantes antes de iniciar el proceso de implementación de la nueva línea de proceso por LFC, encontrando para los hidrantes niveles de producción de 400 und/mes, eficiencias de moldeo de 55% y niveles de rechazo del 40%. Los indicadores arrojaron resultados positivos luego de la implementación de 147

la técnica LFC, ya que para los hidrantes se incremento la productividad en un 525% (2100 hidrantes / mes), la eficiencia de moldeo supero el 80% y los niveles de rechazo se disminuyeron hasta 5%. •

El software Flow 3d es un software adecuado para la simulación de procesos de transformación de metal como la fundición, ya que entrega una representación fiable y verídica de los defectos asociados al proceso. Asimismo permite un proceso de optimización ágil por la facilidad con la que se pueden realizar modificaciones en el planteamiento de la simulación. Sin embargo, el software, presenta tiempos de análisis altos para el estudio del proceso LFC, lo cual debe ser tenido en cuenta en el planteamiento de nuevos proyectos de optimización de procesos.

•

La malla computacional discretiza efectivamente el espacio físico. Los parámetros de fluido son representados en la malla por un arreglo matricial de valores discretizados. Debido a que en la realizad los parámetros físicos del fluido varían continuamente en el espacio, una malla con un tamaño de celda y espacio entre los nodos pequeño entrega una mejor representación de la realidad que una malla con un espaciado de nodos más amplio. Por tanto, el análisis numérico es considerado correcto cuando el espaciamiento de la malla permite aproximarse numéricamente a la ecuaciones que describen el movimiento del fluido, cuando esta condición no es cumplida se puede considerar que el análisis numérico es incorrecto.

•

Disminuir el tamaño de la celda o refinar la malla, para el mismo análisis, genera más elementos y nodos, lo cual hace que la solución se incremente en tamaño y tarde más tiempo en ser solucionada por el Software. Por tanto, aparte del conocimiento de la realidad física del flujo de fluido y la transferencia de calor, el ingeniero que usa CFD debe encontrar un equilibrio entre el tamaño de celda y el error en la solución para entregar un resultado valido y que describa el fenómeno analizado.

148

8. SOCIALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS

El trabajo que se expuso a lo largo de estas páginas trajo como resultado una serie de publicaciones que tenían como fin divulgar y de socializar los resultados obtenidos en la investigación, los mismos se muestra a continuación. •

Articulo en revista nacional indexada: ”Caracterización defectológica de piezas fundidas por lost foam casting mediante simulación numérica”. Publicado en Scientia et Técnica, No 36, Septiembre de 2007. ISSN 0122 – 1701. (Anexo 2)

•

Publicación internacional: Presentación de Ponencia Oral y de un articulo como parte de las memorias del IV Congreso Internacional de Materiales, realizado en Pereira el 10 de Septiembre de 2007 (ISBN 978–958–8272–60–3) (Anexo 3)

•

Publicación internacional: Presentación de Ponencia Oral y de un articulo como parte de las memorias del 8vo Congreso Iberiameicano de Ingeniería mecánica, realizado en Cusco el 23 de Octubre de 2007 (ISBN 978-9972-2885-3-1) (Anexo 4)

•

Publicación Artículo en Revista Internacional Indexada: está siendo evaluado un artículo titulado "Percentage decrease of defects in automotive casting parts manufactured by lost foam casting process" por parte de la revista Material Processing Technology, dicho artículo fue planteado en dos partes, la primera es la que se encuentra actualmente en evaluación y la segunda tratará el tema Evaluación de defectos y optimización del proceso LFC mediante simulación Numérica.

•

Informe de Avance Proyecto: Desarrollo de una nueva línea de producción de hidrantes y collares en hierro nodular mediante la técnica de fundición a la espuma perdida Código 1210 – 08 – 18381, Contrato 501-2005, Radicado CIDI: 8540210618 entregado en el mes de mayo de 2007

•

Informe final Proyecto: Desarrollo de una nueva línea de producción de hidrantes y collares en hierro nodular mediante la técnica de fundición a la espuma perdida Código 1210 – 08 – 18381, Contrato 501-2005, Radicado CIDI: 8540210618

•

Implementación del software Flow 3d en la UPB y personal de pregrado en esta área.

149

capacitación de

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