Z CAST– Casting Simulation dan Case Study
Suryadi, MT Workshop “Learning By Doing” Z-Cast Simulation 14-15 November 2016 COE Building 2nd Floor Fakultas Teknik UNTIRTA
Center for Materials Processing and Failure Analysis (CMPFA) Universitas Indonesia
PENDAHULUAN
Casting Simulation
Penggunaan simulasi komputer sebagai alat bantu dalam simulasi proses casting sudah dimulai pada tahun 80-an
Pada dasarnya perhitungan berdasarkan pada komputasi numerik dengan metode seperti FEM (Finite element method), FDM (Finite
different method) dan SPH ( smoothed particle hydrodynamics)
Merek dagang casting simulation seperti Magmasoft, ESI (QuickCast dan ProCAST), Flow-3D Cast, dan Hitachi-Adstefan
Pengembangan casting software juga dilakukan oleh Korea Selatan (Z-Cast), Canada (SutCast), India (AutoCast), Spanyol (QuantechVulcan), Swedia (Novacast), German (Access, Star-Cast) USA (EKKcapcast), dan negara-negara lainnya
Perbedaan FDM dan FEM
FDM meshing
FEM meshing
Molnar, SweCast, 2007
Komputasi Numerik Pada Simulasi Casting Simulasi casting pada dasarnya terbagi atas beberapa konsep perhitungan model yaitu :
Perhitungan aliran/flow Digunakan untuk melihat fenomena aliran logam dalam mengisi casting cavity dengan memperhatikan faktor – faktor antara lain kecepatan alir, berat jenisFluid) material. (Navier-Stokes equation, Non Newtonian Perhitungan free surface dan Volume of Fluid (SOLA-VOF) Digunakan untuk melihat kondisi surface boundary dan prediksi pergerakan aliran Perhitungan Heat Transfer (transfer panas) Digunakan untuk melihat fenomena pada saat pembekuan (solidification)
Generasi Awal Simulasi Casting (1980-1990) CASTS program developed by the foundry institute of the RWTH Aachen, 1988 (Magmasoft)
Low pressure die cast wheel, Sahm and Hansen, 1984
ESI-ProCast, 1990
Casting Design Concept
Design
Casting Simulation
Defect Prediction
Design Modification
Trial-and-Error vs Simulation
Typical Analysis in Casting Simulation
Casting Simulation Desain Improvement Courtesy of ESI-Procast
remove delta at ingate
Change ingate position
Keunggulan Casting Simulation
Desain produk yang “casting friendly”
Sebagai alat dalam analisa kegagalan proses
Memberikan prediksi estimasi biaya produksi
Mengurangi lead time dalam menghasilkan produk dengan kualitas tinggi Meningkatkan yield produksi
Menurunkan biaya trial dan error Meningkatkan keuntungan (gating system lebih efektif dan efisien) Meningkatkan marketability dari produk (defect free analysis)
Real vs Virtual Process
Pertanyaan Umum Terkait Casting Simulation
Seberapa Akurasi Simulasi dibandingkan dengan kenyataan? Apakah coating bisa disimulasikan? Bagaimana jika memiliki material dengan komposisi khusus? Berapa lama proses simulasi? Apakah memerlukan Komputer dengan spesifikasi khusus?
Fluid Flow Analysis - Throttle Chamber
Simulation result: Metal is not filled completely to the end (misrun)
Courtesy of Adstevan
Simulation vs HPDC Short Shot
Validation snapshots of actual casting parts vs. cast simulations. From left to right : A transmission housing, an oil pan and an auto part . (Courtesy of Flow 3D)
HPDC Validation - Air Entrapment Defects
Flow 3D courtesy of Antrametal.
X-ray Image vs Simulation Prediction
Hasil test X-Ray
Prediksi porositas Courtesy of ESI-ProCast
Tomography Image vs Simulation
Courtesy of Magmasoft
Z-CAST SIMULATION SOFTWARE
Flowchart using Z CAST 3D Model
Pre Processing
Mesh Generation
Parameter setting - Material selection - Mold
Ingate Parameter
Solver
Flow
Solidification
Post Processing
Pre/Post Processor
CAD file importing interface (CATIA, PRO/E, IDES, UG, SOLIDWORKS) Mesh generation for simulation Basic modeling primitive shapesfunctions by User friendly interface Powerful display functions based on OpenGL Section cutting view function Multimedia format output function (AVI)
Fluid Flow Analysis Module
Uncompressible viscous fluid flow Transient heat and mass transfer Gravity sand casting, HPDC, LPDC, Tilt casting, and Investment casting
Flow Simulation -
Temperature
Video Clip of Temperature Distribution of Flow Process
Solidification Analysis Module
3D Transient Heat Transfer and Solidification Analysis Temperature Recovery Method (Latent Heat) General Sand Casting and Investment Casting
Solidification Simulation Temperature
Video Clip of Temperature Distribution of Solidification Process
Solidification Simulation -
Time
Video Clip of Time Distribution of Solidification Process using temperature from flow simulation.
Solidification Simulation -
Red marked parts are predicted shrinkage.
Shrinkage
Cycle Analysis Module
Cooling line design of mold Decision of cycle time Forecast heat accumulation in mold and control mold temperature
Thermal Stress Module
Thermal stress module using hybrid method (FDM-FEM) Deformation analysis under the complicated casting process Non-linear analysis including contact & external pressure Coupled analysis considering temperature, flow, stress models Providing FEM auto-mesh generator using STL data
CASE STUDY
DTMM UI dan Z-Cast
Dept. Teknik Metalurgi dan Material – Universitas Indonesia (DTMM-UI) menerima bantuan berupa software casting simulation (Z-Cast) dari KITECH berdasarkan kerjasama antara Kementerian Perindustrian dan KITECH sejak tahun 2008.
Selama ini, software tersebut telah digunakan untuk membantu industri pengecoran logam nasional dan penelitian mahasiswa.
Beberapa contoh hasil simulasi yang telah dilakukan antara lain: Bracelet Sacrificial Anode (Al-Gravity die casting) Automotive Oil Pan (Al-HPDC) Small Turbine Casing (Steel-Gravity sand casting)
Bracelet Sacrificial Anode
Bracelet Sacrificial Anode-Dies and Filling
Bracelet Sacrificial Anode-Produk dan Defect
Gas porosity shrinkage
Cross section
Dendrite dalam shrinkage
3D Schematic Model
Upper Mold Anode Metal Core
Lower Mold Support
Material : Al-Zn Temp : 700 oC Mold temp : 200 oC
Original – Solidification Analysis
Modifikasi – Solidification Analysis
Shrinkage Analysis
Original desain
Modifikasi
Simulasi penambahan cooling channel pada bagian bawah cetakan mampu merubah arah pembekuan logam (directional solidification) dan menghilangkan cacat yang terjadi
Automotive part : Oil Pan
Oil Pan Casting Produk Oil Level
Install Bolt Hole
Block Cyl Sett Part Strainer Hole
Block Cyl Sett Part
Install Bolt Hole (M6)
Type Porositas
Shrinkage
Gas Porosity
Gas & Shrinkage Porosity
Casting 3D Model
Original Desain
Modifikasi Desain
HPDC Casting Input Parameter
Material MaterialDies Temperatur pouring Temperaturd ies
: ADC 12 :SKD61 : 655oC :250 oC
Hasil Simulasi : Oil Pan Flow
Solidification- time
Persentase Filling 20%
Original
Modifikasi
Persentase Filling 50%
Persentase Filling 60%
Persentase Filling 70%
Persentase Filling 94%
Hasil Simulasi Solidifikasi
Thin section, higher cooling rate
Analisa dan Rekomendasi
Simulasi menunjukan lokasi dimana terjadinya cacat sama dengan hasil pengamatan visual.
Perubahan posisi ingate, letak overflow dan venting mempengaruhi kecepatan pengisian (filling time)
Perlu dilakukan tata ulang terhadap cooling channel dan besarnya flow aliran pendingin
Perhatikan kondisi dan posisi logam cair pada ingate sebelum high speed injection process
Small Turbine Casing
3MW SMALL TURBINE CASING Technical Support (BPPT, NTP, PT. Barata Indonesia)
3D Model (4 part)
Solidification analysis
Upper Inlet Part
Red spot : shrinkage
3D Model Revision
Hasil Simulasi Solidifikasi
Inspeksi Pada Produk Casting
Analisis Cast Product - Casing
Ultrasonik test (UT) menunjukan adanya potensi cacat internal. Setelah dilakukan gouging untuk repair, bukan merupakan cacat memanjang namun merupakan backwall. Adanya pertemuan 2 bidang yang relatif lebih tipis sehingga flaw detector (UT device) mencitrakan sebagai cacat.
Selain itu hanya terdapat 1 lokasi yang memang ada indikasi sand inclusion dan sudah di repair (welding)
“Tidak ditemukan adanya cacat shrinkage atau porositas”
Terima Kasih! SURYADI Center for Materials Processing and Failure Analysis (CMPFA) Gedung MRC Lantai 2, FTUI P: 021-78849045 F: 021-78888111 E:
[email protected]
