Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao

no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

Mestrado Integrado em Engenharia Metalrgica e de Materiais

Pedro Miguel Andrade Cardoso

Dissertao realizada sob a superviso do

Professor Doutor Carlos Alberto Silva Ribeiro,

Do Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais

Da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

E do Eng. Ricardo Ferreira e Eng. Lus Sierra,

Da empresa DURITCAST.

Porto, Julho de 2009

CANDIDATO Pedro Miguel Andrade Cardoso Cdigo 010508022

TTULO Utilizao da simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

DATA 17 de Setembro de 2009

LOCAL Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - Sala C603 - 11:00h

JRI Presidente Professor Doutor Henrique Manuel Cunha Martins dos Santos

DEMM/FEUP

Arguente Professor Doutor Antnio Alberto Caetano Monteiro DEM/EEUM

Orientador Professor Doutor Carlos Alberto Silva Ribeiro DEMM/FEUP

i

Agradecimentos

Desejo agradecer a todas as pessoas que contriburam para a realizao desta

dissertao, especialmente ao meu orientador o Professor Doutor Carlos Silva Ribeiro e a

todos os colaboradores da DURITCAST, em especial ao Eng. Ricardo Ferreira e Eng. Lus

Sierra, Vicente e ao Joo Duarte.

Gostaria tambm de agradecer todos pela fora e apoio demonstrados, em especial

aos meus pais Carlos e Irene e ao meu irmo Srgio Cardoso bem como aos meus amigos

Daniel Casanova, Pedro Trigo, Cludia Lopes, Snia Simes e Natrcia Silva.

ii

Resumo

Este trabalho foi efectuado no mbito da Tese de Mestrado do 5 ano do Mestrado

Integrado em Engenharia Metalrgica e Materiais da Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto em parceria com a DURITCAST.

Esta dissertao transcreve os acompanhamentos na implementao, adaptao dos

meios existentes de trabalho, procura de informao sobre configurao e parametrizao

de um novo software de simulao de enchimento e solidificao em Portugal, o QuikCAST,

comercializado pela ESI Group, na empresa DURITCAST S.A., com o objectivo de prever

defeitos e problemas de alimentao e gitagem no enchimento e solidificao para reduzir

o refugo de certas peas, nomeadamente defeitos de porosidade, bem como o

acompanhamento de ensaios para validao dos resultados obtidos na simulao e

finalmente a transmisso de toda a informao e mtodo de trabalho do programa aos

responsveis da sua utilizao no futuro.

Relativamente s simulaes efectuadas, foram usadas trs hipteses de gitagem e

trs camisas exotrmicas diferentes para se obter peas sem qualquer porosidade. As

variveis da simulao (alimentao, temperaturas) foram definidas a partir das

alimentaes j existentes, mas outras que foram formuladas em trabalho de equipa, de

reunies que eu mantinha com os responsveis de Engenharia e Controlo do Processo.

No final obteve-se a validao experimental da hiptese que melhor convinha a

DURITCAST S.A., tendo sido os objectivos propostos atingidos.

iii

Abstract

This work was made for the master thesis of 5 year of the Mestrado Integrado em

Engenharia Metalrgica e Materiais of Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto in partnership with DURITCAST.

This thesis describes the development work of implementing new simulation software

of filling and solidification in Portugal, produced by the ESI Group, the QuikCAST in the

company DURITCAST, to predict and prevent defects and problems of feeding and gating in

the filling and solidification with the purpose to reduce the scrape rate of certain parts

which have porosity problems. Relatively the simulations, it had been used some

exothermic sleeves and gating alternatives to get a casting free of porosity. The

implementation and calibration of the simulation program in the company was made by

me, as well the study of the different gating hypothesis.

In the end it was made an experimental validation of the alternative way that better

agreed to DURITCAST, having been reached the considered objectives.

iv

ndice

Agradecimentos i

Resumo ii

Abstract iii

ndice iv

ndice de figuras v

1. Introduo 1

1.1. Apresentao da DURITCAST 1

1.2. Consideraes Gerais 2

2. Fundamentos tericos 4

2.1. Fundamentos de Alimentao e Gitagem 4 2.1.1. Sistema de alimentao 4 2.1.2. Sistema de gitagem 5

2.2. Caractersticas das ligas e da areia verde usadas na produo 9

2.3. Software de simulao de Enchimento e Solidificao 11 2.3.1. Mtodo das Diferenas Finitas 11 2.3.2. Software QuikCAST 11

3. Mtodo Experimental 13

3.1. Definio dos parmetros de pr-processamento da simulao 17

4. Resultados e Discusso das Simulaes 18

4.1. Hiptese 1 20

4.2. Hiptese 2 29

4.3. Hiptese 3 36

5. Validao da pea 43

6. Concluso 46

Referncias 48

Anexos 49

v

ndice de figuras Figura 1 e 2. Imagem em Solidworks da pea A173 esquerda e da B174 direita ----------- 2

Figura 3. Imagem dos pontos quentes da pea A173 em QuikCAST ------------------------------ 3

Figura 4. Imagem dos pontos quentes da pea B174 em QuikCAST ------------------------------ 3

Figura 5. Esquematizao de um sistema de alimentao ----------------------------------------- 6

Figura 6. Perfil do fluxo metlico: a) em queda livre; b) dentro de um gito de paredes

paralelas; c) dentro de um gito cnico --------------------------------------------------------------- 8

Figura 7. Turbulncia em metais lquidos ------------------------------------------------------------ 9

Figura 8. Interface grfica do QuikCAST ----------------------------------------------------------- 12

Figura 9. Menu de criao do modelo de estudo -------------------------------------------------- 13

Figura 10. Menu de importao dos ficheiros ------------------------------------------------------ 13

Figura 11. Menu Model e os seus submenus ---------------------------------------------------- 13

Figura 12. Submenu de reparao automtica da malha ("automatic mesh fixing") --------- 14

Figura 13. Submenu Domains Manager do menu Model, onde se cria os volumes e

escolhe o material ------------------------------------------------------------------------------------- 15

Figura 14. Submenu 3D Grid/Mesh Generation do menu Model -------------------------- 15

Figura 15. Menu geral do QuikCAST, em especial o menu Process--------------------------- 16

Figura 16 e 17.Submenu input data check ( esquerda) e solidification material

parameteres ( direita) do menu Process------------------------------------------------------ 16

Figura 18. Imagem da verso inicial da pea A173, com alimentadores laterais, e duas

camisas exotrmicas centrais ------------------------------------------------------------------------ 18

Figura 19.Imagem verso inicial da pea B174, apenas uma pea por placa de moldao - 18

Figura 20.Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em

corte no VisualCAST (temperatura de vazamento 1340C CFSP = 0.6, para CFSP =0.8 o

resultado foi muito semelhante a este) ------------------------------------------------------------ 20

Figura 21 e 22.Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em

corte no VisualCAST (temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) --- 21

Figura 23. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (T=1340C) --------- 21

Figura 24. Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em

corte no VisualCAST (temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6) ------------------------- 22

Figura 25 e 26.Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em

corte no VisualCAST (temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) --- 22

Figura 27. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C, CFSP=0.6) ----------------------------------------------------------------------- 23

vi

Figura 28. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6) -------------------------------------------------- 23

Figura 29 e 30. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) ---------------------------- 23

Figura 31. Resultado do tempo de solidificao da simulao no VisualCAST (temperatura

de vazamento 1340C) -------------------------------------------------------------------------------- 24

Figura 32. Resultado da Shrinkgage Porosity (macroporosidade) da simulao no

VisualCAST (temperatura de vazamento 1340C, CFSP= 0.6) ----------------------------------- 24

Figura 33. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C) --------------------------------------------------------------- 25

Figura 34 e 35. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) ---------------------------- 25

Figura 36. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6) -------------------------------------------------- 26

Figura 37. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.8) -------------------------------------------------- 26

Figura 38 e 39. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) ---------------------------- 27

Figura 40. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6) -------------------------------------------------- 27

Figura 41 e 42. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) ---------------------------- 28

Figura 43. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6) ----------------------------------------------- 29

Figura 44. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.8) ----------------------------------------------- 29

Figura 45 e 46. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6) -------------- 30

Figura 47. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C) --------------------------------------------------------------- 30

Figura 48. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6) -------------------------------------------------------------------- 31

Figura 49. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6) ----------------------------------------------- 31

Figura 50 e 51. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6) -------------- 31

vii

Figura 52. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C) --------------------------------------------------------------- 32

Figura 53. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6) -------------------------------------------------------------------- 32

Figura 54. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6) ----------------------------------------------- 33

Figura 55 e 56. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6) -------------- 33

Figura 57. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6) -------------------------------------------------------------------- 34

Figura 58. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6) ----------------------------------------------- 34

Figura 59 e 60. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6) -------------- 35

Figura 61. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C) --------------------------------------------------------------- 36

Figura 62. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6) ----------------------------------------------- 36

Figura 63 e 64. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFSP = 0.6) ----------- 37

Figura 65. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6) -------------------------------------------------------------------- 37

Figura 66. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6) ----------------------------------------------- 38

Figura 67 e 68. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFSP = 0.6) ----------- 38

Figura 69. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C) --------------------------------------------------------------- 39

Figura 70. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFS = 0.6) ------------------------------------------------- 39

Figura 71 e 72. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFS = 0.6) ------------- 40

Figura 73. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFS = 0.6) ---------------------------------------------------------------------- 40

Figura 74. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFS = 0.6) ------------------------------------------------- 40

viii

Figura 75. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFS = 0.8) ------------------------------------------------- 41

Figura 76 e 77. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFS = 0.6) ------------- 41

Figura 78. Pea A173 em da hiptese 1 (que foi produzida) esquerda e corte da pea com

destaque para o n2 o local onde aparecia rechupe direita ----------------------------------- 43

Figura 79. Imagem do corte da pea na zona n 2, onde agora no aparece rechupe ------- 43

Figura 80. Imagem em corte da pea B174,sem aparecimento de rechupe ------------------- 44

Figura 81 e 82.Imagem em corte do alimentador de topo (da camisa exotrmica) da pea.44

Figura 83. Submenu input data check do menu Process------------------------------------ 50

Figura 84. Imagem explicativa do que o volume inlet no QuikCAST ---------------------- 50

Figura 85. Explicao visual do parmetro de pr-procesamento Surface Roughness ---- 51

Figura 86. Menus dos parmetros de pr-processamento, Permeability, Ceramic Foam

Filter e Surface Roughness, respectivamente ------------------------------------------------- 51

Figura 87. Menus dos parmetros de pr-processamento, Temperature e External

Exchance respectivamente ------------------------------------------------------------------------- 52

Figura 88. Menus dos parmetros de pr-processamento, Exothermic Material e Contact

Resistance respectivamente ------------------------------------------------------------------------ 52

Figura 89. Submenu solidification material parameteres do menu Process ------------- 53

Figura 90. Explicao do CFSP e CFSPipping ------------------------------------------------------- 53

Figura 91. Submenu de escolha de clculo da simulao ---------------------------------------- 54

Figura 92. Imagem com o clculo da seco de ataque para 2 ataques ----------------------- 54

Figura 93. Imagem com o clculo da seco de ataque para 3 ataques ----------------------- 55

Figura 94. Imagem com o clculo da seco de ataque para 5 ataques ----------------------- 55

Figura 95. Simulao do enchimento em 2% ------------------------------------------------------- 56

Figura 96 e 97. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita) --------------- 56

Figura 98 e 99. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 99% (direita) --------------- 57

Figura 100. Simulao do enchimento em 5%------------------------------------------------------ 57

Figura 101 e 102. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita) ------------- 58

Figura 103 e 104. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita) ----------- 58

Figura 105. Simulao do enchimento em 5%------------------------------------------------------ 58

Figura 106 e 107. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita) ------------- 59

Figura 108 e 109. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita) ----------- 59

Figura 110. Simulao do enchimento em 5%------------------------------------------------------ 60

Figura 111 e 112. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita) ------------- 60

Figura 113 e 114. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita) ----------- 61

ix

Figura 115. Simulao do enchimento em 5%------------------------------------------------------ 61

Figura 116 e 117. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita) ------------- 62

Figura 118 e 119. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita) ----------- 62

Figura 120. Simulao do enchimento em 5%------------------------------------------------------ 62

Figura 121 e 122. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita) ------------- 63

Figura 123 e 124. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita) ----------- 63

Figura125. Simulao do enchimento em 20% pea A173 ---------------------------------------- 64

Figura 126 e 127.Simulao do enchimento em 50% pea A173 (esquerda) e B174 (direita) 64

Figura 128 e 129. Simulao do enchimento em 20% (esquerda) e 60% (direita) pea A173, a

escala a mesma da hiptese 1 --------------------------------------------------------------------- 65

Figura 130. Simulao do enchimento em 65% da pea B174 ----------------------------------- 65

Figura 131. Simulao do enchimento em 25% pea B174 --------------------------------------- 66

Figura 132 e 133.Simulao do enchimento em 60% pea B174 (direita) e A173 (esquerda) 66

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

1

FEUP 2009

1. Introduo

Actualmente a engenharia recorre cada vez mais a softwares CAE (Computer

Assisted Engineering) com o intuito de resolver problemas, usando a simulao. Para que

as empresas de fundio garantam a qualidade das peas produzidas e competitividade,

necessitam de adquirir um bom software de simulao do enchimento e solidificao de

ligas metlicas. No mercado esto disponveis diversos softwares, como o MAGMASOFT,

SOLIDCast/FLOWCast, Flow-3D, QuikCAST entre outros, havendo diferenas entres eles, a

nvel de preos e mtodo de clculo da simulao.

Os sistemas de alimentao e gitagem podem ser bastante complexos, sendo

necessria a validao experimental, tornando-se assim os softwares de simulao numa

preciosa ajuda, pois permitem de forma rpida prever os problemas, diminuindo os custos

associados a refugo e ensaios realizados s peas. Se a pea apresentar problemas (como

porosidades, etc.) efectua-se uma anlise, e se a anomalia for resultado do sistema de

alimentao e gitagem, projecta-se um novo sistema que posteriormente simulado.

1.1. Apresentao da DURITCAST

A DURITCAST uma empresa pertencente ao Grupo DURIT (criado em 1981), que

resulta da aquisio da FUSAG em 2008 e da posterior agregao da Metafalb em 2009.

uma empresa que direcciona a maior parte da sua produo para a exportao,

nomeadamente para os mercados da Alemanha, Frana e Espanha.

Para melhorar a sua produo e melhorar a sua rentabilidade a DURITCAST investiu

recentemente num software de simulao de enchimento e solidificao, para prever os

defeitos das peas. O software adquirido foi o QuikCAST, comercializado pela ESI Group. A

empresa adquiriu o software com vrios objectivos, entre os quais: aumentar a eficincia

do metal vazado, diminuir a taxa de refugo, tornar mais rpido e eficaz o desenvolvimento

dos sistemas de alimentao e gitagem, diminuir os custos com camisas exotrmicas, etc.

A empresa utiliza um forno de induo com 2 cadinhos de cerca de 4 toneladas

cada, e utiliza um programa de anlise trmica, o Phaselab.

A DURITCAST tem um sistema de gesto da qualidade certificado pela Bureau

Veritas Certification segundo a norma NP EN ISO 9001:2008.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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FEUP 2009

1.2. Consideraes Gerais

Para validar a utilizao desta ferramenta de simulao na empresa, foi solicitado

uma actualizao da produo de um fundido, ou seja, melhoria na pea A173 e produo

da B174 em que as alteraes seriam no tipo de liga e na geometria da pea. A escolha

destas peas foi efectuada em virtude de serem as peas mais problemticas da empresa

(devido a sua massividade, ao vazamento de peas muito pesadas em moldao de areia

verde e importncia do cliente), e as primeiras que a DURITCAST pretendia resolver usando

j o novo software QuikCAST.

A produo da pea A173 apresentava alguns rechupes, sendo necessrio melhorar o

controlo desta. A B174 a ser futuramente produzida em duas peas por moldao

(actualmente em produo apenas uma pea por moldao).

Foi ento proposto desenvolver uma gitagem para as duas peas (gitagem com 2

ataques por pea, recalculando a gitagem e os ataques e verificando que melhor camisa

exotrmica a utilizar) para se produzir imediatamente, ficando em estudo novas opes de

gitagem para testes e opes futuras (em especial na pea B174), com objectivo de

diminuir o refugo e melhorar a eficincia do material vazado.

O fundido consiste num travo industrial (utilizado nas turbinas elicas), com um

peso aproximado de 95kg e volume 12900 cm3 (A173), 90kg e volume 12000 cm3 (B174)

sendo produzidos em moldaes de areia verde com dimenses 1100x950x500 mm

contendo 2 peas.

Figura 1 e 2. Imagem em Solidworks da pea A173 esquerda e da B174 direita.

A principal diferena, (para alm da geometria da pea), est na liga usada, EN-

GJS-500-7 (DIN GGG50), na A173 e a EN-GJS-400-18-LT (DIN GGG40.3) na B174.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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FEUP 2009

As figuras 3 e 4 mostram os pontos quentes (locais crticos para aparecimento de

rechupe na pea) das duas peas em estudo, simulados no programa QuikCAST. Como se

pode verificar a zona crtica encontra-se no centro da pea, sendo nessa zona que existe

uma maior probabilidade de aparecer rechupe.

Figura 3. Imagem dos pontos quentes da pea A173 em QuikCAST.

Figura 4. Imagem dos pontos quentes da pea B174 em QuikCAST.

Na tabela I apresenta-se resultados de refugo de diversos anos relativos a pea

A173, relativamente pea B174, como relativamente nova e foi pouco produzida

(apenas com uma pea por moldao) no existem dados do refugo dos anos anteriores.

Tabela I. Refugo da pea A173 nos anos de 2006 a 2008.

Refugo 2006 2007 2008

18,7% 14% 10%

Peas produzidas

anualmente

(aproximadamente)

12000 8000 10000

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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2. Fundamentos tericos

2.1. Fundamentos de Alimentao e Gitagem

2.1.1. Sistema de alimentao

Os alimentadores tornam-se necessrios para suprir as necessidades de metal

resultante da contraco do banho no estado lquido. Assim, pode-se evitar o

aparecimento de rechupes resultantes da solidificao e contraco da liga.

Para que o sistema de alimentao cumpra o seu objectivo, as dimenses, a

geometria e o nmero de alimentadores tem que seguir alguns critrios (o do mdulo, o do

volume e da distncia de alimentao) [1].

Critrio do mdulo e do volume

O critrio do mdulo consiste em criar condies para uma solidificao

direccionada. A anlise de solidificao do conjunto (alimentador e fundido) deve

confirmar a existncia de um caminho de solidificao, ou seja, um aumento progressivo

do valor do mdulo de arrefecimento desde a seco mais distante a alimentar at ao

interior do alimentador [1].

O mdulo do alimentador deve ser superior ao da parte da pea ao qual est ligado,

ou seja:

Ma = x Mpp (1)

Em que o valor de um coeficiente que depende do tipo e posicionamento do

alimentador e do tipo da liga:

= Factor de posio Factor do tipo da liga (2)

Na maioria dos casos, suficientemente seguro atribuir ao alimentador um mdulo

20% (para aos) a 30% (para ligas no ferrosas e ferro fundido nodular) superior ao mdulo

do ponto quente [1].

A utilizao de uma camisa exotrmica aumenta artificialmente o mdulo de

arrefecimento do alimentador, podendo o seu dimetro ser reduzido relativamente ao de

um alimentador sem camisa. Uma camisa tem os seus custos mas permite economias em

termos de metal.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

5

FEUP 2009

O critrio do volume pode ser expresso pela equao:

(3)

Onde:

Contraco especfica da liga;

- Rendimento do alimentador;

Vpea Volume da pea a alimentar.

Ao estabelecer a comparao entre os dois critrios, dever seleccionar-se, por

precauo, aquele que conduz a um alimentador de maior dimetro de solidificao.

Critrio da distncia de alimentao

O alimentador tem um raio de aco limitado; por este motivo deve ser colocado o

mais prximo possvel do ponto quente. Quando tal no possvel, til ter um critrio

que defina a distncia mxima, ou seja a distncia de alimentao aquela que ao fim do

qual, o alimentador deixa de ter qualquer efeito.

O modo mais simples de aplicar o critrio da distncia desenhar um circulo

centrado no alimentador com um raio igual a distncia de alimentao mais o raio do

alimentador. Assim, a seco do fundido dentro do crculo alimentada.

2.1.2. Sistema de gitagem

O sistema de gitagem constitudo por um conjunto de canais, de geometria e

dimenses apropriadas, que permitem transportar o metal em condies adequadas, (de

temperatura, agitao, velocidade e direco) de modo a permitir encher toda a cavidade

de moldao. O sistema de gitagem tem grande importncia na medida em que dever

promover um enchimento suave e no turbulento de modo a reter a escria na bacia de

vazamento, evitando assim que o metal reaja em demasia com moldao. Tambm deve

garantir uma distribuio do metal a todas as partes da cavidade de moldao e garantir

que haja uma distribuio de temperaturas adequada no arrefecimento e solidificao do

metal [2,3].

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 5. Esquematizao de um sistema de alimentao [3].

A figura 5 esquematiza um sistema de alimentao tpico, constitudo por bacia de

vazamento, gito de descida, poo, canal de distribuio e ataques. As dimenses e

geometria dos canais so muito importantes para garantir o controlo do fluxo de metal [3].

Existem alguns pontos que devero ser considerados na elaborao de um sistema

de gitagem como:

o Tempo e velocidade de enchimento da moldao;

o Seco de canais e ataques;

o Maximizao do rendimento metlico;

o Separao da pea dos canais de gitagem;

A elaborao de um sistema de gitagem dever ter em conta certos fundamentos

relativos dinmica de fluidos, como os teoremas de Bernoulli e Torricelli e a lei da

continuidade.

O teorema de Bernoulli pode ser explicado na medida em que a velocidade alta

onde a presso baixa e vice-versa.

Este teorema define que em qualquer ponto de um sistema fechado (um sistema de

gitagem um sistema fechado quando a quantidade de metal que entra no sistema, pela

bacia de vazamento, igual quantidade de metal que sai pelos ataques), a soma da

energia potencial, cintica, presso e frico de um fluido igual a uma constante [3]:

(4)

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

7

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Onde existem trs componentes da energia a considerar:

v2/2g = Energia cintica, sendo v a velocidade expressa em m/s e g a acelerao da

gravidade em m/s2;

h, em m, definido pela altura do, acima do plano de referncia arbitrrio, mas que para

efeitos de clculo mantido constante durante a anlise do sistema. O plano de referncia

, na prtica, o plano de apartao.

/ = Energia associada presso =, sendo a presso especfica (por unidade de rea)

expressa em kg/m2 e a densidade do metal expresso em kg/m3.

O teorema de Torricelli enuncia que num sistema fechado, a velocidade de

escoamento do fluxo na base da bacia de vazamento, sem considerar perdas por atrito ser

[3]:

(5)

Onde:

v Velocidade do fluido na base do canal;

g Acelerao da gravidade;

h Altura do canal.

A lei da continuidade estipula que para um sistema fechado de um lquido

incompressvel e que possua paredes impermeveis, o caudal de um banho metlico ser o

mesmo em todos os pontos que o constitui [3]:

(6)

Onde:

Q Caudal (m3/s);

A rea de seco recta ocupada pelo fluido (m2);

v Velocidade do fluido (m/s)

Na prtica esta lei pode ser verificada interpretando a figura 6, onde a velocidade

do fluido aumenta na queda, o que significa que a rea da seco recta diminui. Este o

motivo pelo qual o gito de descida , por norma, cnico [3].

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 6. Perfil do fluxo metlico: a) em queda livre; b) dentro de um gito de paredes paralelas;

c) dentro de um gito cnico [3].

No caso do gito de paredes paralelas criada uma zona de baixa presso. J no

caso do gito cnico este acompanhar o fluxo que se mantm sempre em contacto com as

paredes do gito, minimizando desta maneira a aspirao de ar da moldao e a turbulncia

da superfcie [3].

Velocidade crtica de vazamento

Esta velocidade tem como objectivo principal de permitir que a frente do metal

avance somente distncia cuja tenso possa preservar a integridade da superfcie. Para

metais e ligas densas, a bibliografia recomenda que essa velocidade seja inferior 40cm/s

[4].

A gota de metal lquido encontra-se em equilbrio desde que se mova a uma

velocidade mxima prxima da velocidade crtica [4].

Se a altura de uma perturbao presente na superfcie do banho resultante do

facto da velocidade de enchimento ultrapassar a velocidade crtica, o lquido deixa de ser

suportado pela tenso superficial.

Devido aco da gravidade, essa perturbao da superfcie ir colapsar e penetra

no interior do metal lquido. A formao dessa perturbao est representada na figura 7

[4].

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Figura 7. Turbulncia em metais lquidos [4].

2.2. Caractersticas das ligas e da areia verde usadas na produo

A liga EN-GJS-400-18-LT (DIN GGG40.3) apresenta como grande diferena na

composio relativa liga EN-GJS-500-7 (DIN GGG50) a adio de Nquel (0,20-0,35%) e a

no adio de Cobre.

A microestrutura da liga EN-GJS-400-18-LT ferrtica e contm um mximo de 7%

de perlite. A liga EN-GJS-500-7 possui uma microestrutura ferrtica (60% aproximadamente)

e perltica (40% aproximadamente) [5].

As peas feitas na liga DIN GGG40.3 tm a particularidade de aguentar

temperaturas de trabalho mais baixas (at 30C negativos) [5].

As tabelas II, III e IV apresentam a composio qumica (sendo passvel de pequenas

afinaes derivadas da prtica industrial, sendo que esta tabela e da empresa),

propriedades mecnicas e temperaturas de Liquidus e Solidus referentes as duas ligas

metlicas usadas nas produes das peas.

Tabela II. Composio das ligas tabeladas na DURITCAST DIN GGG40.3 e DIN GGG50.

Liga Composio (% mdia)

C Si Mn S Mg P Ni Cu

EN-GJS-400-18-LT 3,65 2,10 0,35 0,025 0,045 0,06 0,27 -

EN-GJS-500-7 3,65 2,40 0,35 0,025 0,045 0,06 0,15 0,25

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Tabela III. Propriedades mecnicas das ligas DIN GGG 40.3 e DIN GGG 50 [5].

Material

Resistncia traco

Min. (MPa)

Limite elstico 0.2%

(MPa)

Alongamento (%)

HB

Min Max

EN-GJS-400-18-LT 400 240 18 130 180

EN-GJS-500-7 500 320 7 170 190

Tabela IV. Caractersticas das ligas DIN GGG 40.3 e DIN GGG 50 [5].

Material Temperatura de Liquidus

(C)

Temperatura de Solidus

(C)

Densidade

(kg/m3)

EN-GJS-400-18-LT 1160 1089 7050

EN-GJS-500-7 1148 1080 7000

A tabela V refere-se as caractersticas da areia verde da moldao que utilizada

na DURITCAST e portanto na produo das peas A173 e B174.

Tabela V. Caractersticas da areia verde usada na DURITCAST.

Areia Verde

H2O

(%)

Bentonite

Activa

Compactabilidade

(%)

RCompresso

(g\cm2) Permeabilidade

Min Max 3,3 3,8 7 9,5 30 40 1500-2400 130-170

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2.3. Software de simulao de Enchimento e Solidificao

2.3.1. Mtodo das Diferenas Finitas

A simulao pelo mtodo das diferenas finitas (FDM) tem como base uma malha

composta por cubos unitrios, todos eles com as mesmas dimenses [6].

A simulao consiste na interaco sucessiva da transferncia de propriedades entre

cubos vizinhos. Um exemplo de software que usa este modelo o QuikCAST. As diferenas

finitas tm as seguintes vantagens:

o Gerao automtica da malha

o Obteno rpida de resultados

o Software de fcil utilizao

E as seguintes desvantagens:

o No possvel optimizar a malha

o Menor preciso de clculo

o No possvel simular fenmenos direccionais

2.3.2. Software QuikCAST

Na compra do QuikCAST e/ou do ProCAST comercializado pela ESI GROUP, so

includos dois programas adicionais:

o GEOMESH: Importador de ficheiros CAD (stl, igs, step), uma ferramenta pr-

processadora para o MeshCAST, programa adicional fornecido pela ESI Group.

o VisualCAST: O ps-processador de visualizao dos resultados [7].

O QuikCAST um software de diferenas finitas (utiliza a combinao das equaes

Navier-Stokes com a entalpia), mais bsico e mais econmico do que o ProCAST. O custo de

uma licena ronda 40 mil euros. As simulaes neste programa so rpidas, demorando em

mdia 10 horas a simulao de enchimento e solidificao e 2 a 3 horas apenas a simulao

da solidificao (dependendo do numero de ns escolhidos para a malha e do step de

clculo, estes tempos so para casos com n de ns a rondar os 5 milhes, o n de ns a

utilizar dever ser entre os 3-6 milhes para melhores resultados). A verso utilizada foi a

2009.

Este software fcil de utilizar, tendo como vantagens o malhamento e reparao

da malha que so criadas de modo automtico, sendo as simulaes rpidas e realistas

(sendo os parmetros de ps-processamento mais requisitados a porosidade, tempo de

solidificao, pontos quentes, velocidades do fluido na cavidade, este programa permite

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tambm simular fundio injectada) possuindo uma base de dados muito vasta (podendo

ser adicionados novos dados aos existentes). A figura 8 mostra a interface grfica do

QuikCAST [7].

Figura 8. Interface grfica do QuikCAST [7].

O software ProCAST um software mais completo, utilizando o mtodo de

elementos finitos, exigindo maiores requisitos computacionais. Uma mais-valia deste

programa a simulao das microestruturas (dendrites, dureza HB, etc) e termo-

mecnicas. O custo de uma licena ronda 120 mil euros, o que em comparao com o

QuikCAST se torna muito dispendioso [7].

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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3. Mtodo Experimental

Neste captulo vo ser abordados os dados de pr-processamento usados no

QuikCAST, uma explicao de utilizao mais detalhada do programa encontra-se em

anexo (alguns temos so em ingls, nomeadamente os menus do programa para melhor

compreenso de quem for utilizar o QuikCAST).

Inicialmente cria-se um novo modelo de estudo (escolhendo o nome e a

localizao), como mostra a figura 9, e importa-se os ficheiros em formato stl, (que o

mais recomendado, podendo ser importados outros formatos, tais como pmf, sm), dos

diferentes componentes (gitagem, fundido, alimentadores, camisas, etc), como na figura

10) [8].

Figura 9. Menu de criao do modelo de estudo

[8].

Figura 10. Menu de importao dos ficheiros

[8].

Passando ao menu Model ter vrias opes, como sero explicadas algumas

delas de seguida.

Figura 11. Menu Model e os seus submenus [8].

1 Passo

2 Passo

3 Passo

4 Passo

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No submenu "automatic mesh fixing" do menu Model (1 Passo) procede-se ao

arranjo da malha (dos ficheiros importados).

Figura 12. Submenu de reparao automtica da malha ("automatic mesh fixing") [8].

No QuikCAST possvel criar volumes especficos como a moldao e o inlet (local

de entrada do material fundido) no submenu "mesh basic shapes" (2 Passo). O passo

seguinte ser gerar os volumes especficos (gitagem, fundido, camisas, etc) e escolher o

tipo de material, liga e moldao (camisas exotrmicas, areias,) em Domains Manager

(3 Passo).

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Figura 13. Submenu Domains Manager do menu Model, onde se cria os volumes e escolhe o

material [8].

Posteriormente cria-se a grelha e a malha dos volumes no submenu 3D Grid/Mesh

Generation (4 Passo), onde se escolhe o nmero de clulas (ou ns) em funo do

tamanho da malha (no devendo exceder 6 milhes, devido a ao uso de memoria para o

processo, dando erro de malha) [7].

Figura 14. Submenu 3D Grid/Mesh Generation do menu Model.

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No menu Process, refere-se a gravidade, os dados hidrulicos e trmicos para a

simulao e os parmetros de solidificao do material [8].

Figura 15. Menu geral do QuikCAST, em especial o menu Process [8].

Figura 16 e 17. Submenu input data check ( esquerda) e solidification material

parameteres ( direita) do menu Process [8].

Estes dois submenus so importantes na simulao, com destaque para o submenu

Solidification material parameteres, que nos permite escolher os parmetros para a

deteco da porosidade (ver figura 17). [8]

O parmetros de ps-processamento so visualizados no VisualCAST, sendo de

salientar: pontos quentes, enchimento da cavidade (em funo da temperatura e

velocidade), porosidade (Shrinkage Porosity), tempo de solidificao, fraco slida

(simulado no enchimento) e lquida (simulada na solidificao).

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3.1. Definio dos parmetros de pr-processamento da simulao

Menu Input data check

Os dados introduzidos neste menu so os necessrios para a simulao, podendo ser

divididos em dois submenus: condies hidrulicas e trmicas (figura 16).

Tabela V. Dados introduzidos no menu Input data check.

Condies Hidrulicas Condies Trmicas

Fluido inicial inlet Temperatura (1340C)

Velocidade em funo do tempo de vazamento de 30s

Trocas Externas Valor de 0,9 de emissividade para moldao/exterior

Valor de 0,3 fundido/moldao

Permeabilidade - 130 (areia verde) Material Exotrmico (tabela de camisas)

Filtro cermico (ppi = 10 e espessura = 22mm)

Resistncia de contacto

Menu Solidification material parameters

Neste parmetro existem duas opes (figura 17), o shrinkage calculation (com o

Critical fraction solid piping (define o limite da fraco slida para a formao do

pipping) e Critical fraction solid porosity (nos resultados usaremos a designao CFSP,

que define o limite da fraco slida para formao da macro/micro porosidade, ou seja

abaixo do valor introduzido s calcular microporosidade)) e o shrinkage parameters

(com global contraction factor e based on density variation, sendo este ltimo o

usado nas simulaes, onde utiliza a variao da curva de densidade da liga escolhida para

obter resultados de contraco que influenciam a porosidade) [7].

Finalmente procede-se ao incio da simulao (em start calculation com opes

de simulao de apenas enchimento, apenas solidificao ou enchimento e solidificao.

Em anexo explica-se alguns termos em mais pormenor, como por exemplo estes dois

menus anteriores.

Tabela VI. Caractersticas do computador utilizado nas simulaes na DURITCAST.

Computador DURITCAST QuikCAST 2009

Processador Quadcore X5450 3GHz

Memria 8GB

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4. Resultados e Discusso das Simulaes

Uma vez que o principal defeito encontrado nesta pea era macro e microrechupe,

sendo o parmetro de ps-processamento recomendado para analisar este tipo de defeito o

shrinkage porosity no VisualCAST (referentes as simulaes em QuikCAST). O resultado

tempo de solidificao foi apenas includo para verificao das zonas que demoram mais

tempo a solidificar, outras simulaes extra como o enchimento encontra-se em anexo.

Como j foi referido no ponto 1.2, a pea A173 j era produzida com duas peas

por moldao (com duas camisa exotrmicas localizadas no topo/centro de cada pea e

alimentadores laterais, ver figura 18), neste caso procedeu-se a alteraes na gitagem,

primeiro recalculando a de 2 ataques por pea e posteriormente passando calculando uma

gitagem com 3 ataques e 5 ataques por pea, e apenas usando uma camisa exotrmica na

zona central/topo da pea.

Figura 18. Imagem da verso inicial da pea A173, com alimentadores laterais, e duas camisas

exotrmicas centrais.

Na pea B174, apenas estava a ser produzido uma pea por moldao (com uma

camisa exotrmica (igual a n1) localizada no topo/centro de cada pea), sendo necessrio

calcular as gitagens para alimentao de duas peas por moldao, de igual modo que na

anterior comeando por 2 ataques, depois 3 e finalmente 5 ataques por pea.

Figura 19. Imagem da verso inicial da pea B174, apenas uma pea por placa de moldao.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Os parmetros gerais usados nas simulaes encontram-se detalhados na tabela VII.

Tabela VII. Parmetros gerais usados nas simulaes.

Parmetro A173 B174

Temperatura vazamento 1340C

Tempo de enchimento 30s

Liga de vazamento GGG 50 GGG 40.3

Material da Moldao Areia verde

Filtro Cermico 10PPI

Na tabela VIII encontram-se descritas as diversas hipteses de alteraes para as

duas peas, tendo estas sido projectadas para aumentar o nmero de ataques a encher

cada cavidade (os clculos das gitagens encontram-se em anexo), com o intuito de a pea

encher de um modo mais uniforme e menos turbulento, visando tambm a diminuio de

porosidade.

Tabela VIII. Hipteses estudadas de alteraes feitas nas peas.

Hiptese n Para as peas A173 e B174

1

Gitagem com 2 ataques por pea

Opo A - Camisa exotrmica 1

Opo B - Camisa exotrmica 2

Opo C - Camisa exotrmica 3

2

Gitagem com 3 ataques por pea

Opo A - Camisa exotrmica 1

Opo C - Camisa exotrmica 3

3

Gitagem com 5 ataques por pea

Opo B - Camisa exotrmica 2

Opo C - Camisa exotrmica 3

Em cada hiptese iremos alterar certos parmetros de pr-processamento na

simulao, para uma maior comparao:

Variao da gama de temperatura de vazamento (30C):

1310C 1340C 1370C

Variao do Critical Fraction Solid Porosity no shrinkage calculation

CFSP = 0.6 e CFSP = 0.8 (apenas para a temperatura de 1340C):

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Na tabela IX esto apresentadas as propriedades das camisas exotrmicas utilizadas

nas simulaes. As camisas exotrmicas 2 e 3 so camisas com a mesma geometria e

marca, sendo mais caras que a camisa exotrmica 1.

Tabela IX. Propriedades das camisas exotrmicas 1, 2 e 3 utilizadas na simulao.

Propriedade Camisa 1 Camisa 2 Camisa 3

Volume 1900cm3 1350cm3 1500cm3

Modulo 3,2 3,2 4,2

Tempo de Queima 2minutos 3minutos 3minutos

Dimenses 125/210mm 120/150mm 140/150mm

4.1. Hiptese 1

Nesta hiptese recalculou-se a gitagem da pea A173 e usou-se o mesmo tipo de

gitagem para a pea B174. Nesta foram testadas 3 opes de camisas exotrmicas. O peso

da gitagem de 28kg.

Simulao da pea A173

o Opo A Camisa exotrmica 1

Figura 20. Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em corte no

VisualCAST (temperatura de vazamento 1340C CFSP = 0.6, para CFSP =0.8 o resultado foi

muito semelhante a este).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 21 e 22. Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em

corte no VisualCAST (temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita).

Relativamente aos resultados obtidos na simulao para esta opo de camisa

exotrmica, prev-se o aparecimento de porosidade na zona central da pea, como se

pode verificar nas figuras 20, 21 e 22 (mesmo a uma temperatura de 1370C aparece

porosidade na pea).

o Opo B Camisa exotrmica 2

Figura 23. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (T=1340C).

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Figura 24. Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em corte no

VisualCAST (temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6).

Figura 25 e 26. Resultado da macroporosidade (Shrinkage Porosity) da simulao vista em

corte no VisualCAST (temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita).

Na pea A173 as simulaes prevem porosidade apenas na opo B (sendo uma

porosidade mais reduzida do que a da opo A), nas figuras 23 a 25, no prevendo

porosidade nas peas com uma temperatura de vazamento de 1370C (figura 26).

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o Opo C - Camisa exotrmica 3

Figura 27. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C, CFSP=0.6).

Figura 28. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6).

Figura 29 e 30. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Nesta pea as simulaes da opo C no prevem aparecimento de porosidade nas

peas em nenhuma das condies simuladas, como se observa atentamente pelas figuras

27 a 30.

Simulao da pea B174

o Opo A Camisa exotrmica 1

Figura 31. Resultado do tempo de solidificao da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C).

Figura 32. Resultado da Shrinkgage Porosity (macroporosidade) da simulao no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP= 0.6).

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Figura 33. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C).

Figura 34 e 35. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita).

Os resultados das simulaes para esta opo prevem o aparecimento de

porosidade nas peas da simulao de temperaturas de 1340C e 1310C, como vemos nas

figuras 32, 33 e 34 sendo que a 1370C j seria possvel obter peas sem porosidade, (ver

figura 35). Podemos tambm ver que o tempo de solidificao da pea mais longo na

zona central (figura 31, zona vermelha da pea), aonde tender a aparecer porosidade.

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o Opo B Camisa exotrmica 2

Figura 36. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6).

Figura 37. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.8).

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Figura 38 e 39. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita).

Nesta opo de camisa exotrmica para a pea B173, as simulaes prevem

porosidade em todas as tentativas simuladas, ou seja nas diversas temperaturas (1310C,

1340C e 1370C), como indicam as figuras 36 a 39, sendo que temperatura de 1370C

indica uma possibilidade de macroporosidade reduzida.

o Opo C Camisa exotrmica 3

Figura 40. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C, CFSP=0.6).

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Figura 41 e 42. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita).

Nesta pea as simulaes da opo C no prevem aparecimento de porosidade

(macro ou micro) nas peas em nenhuma das condies simuladas, como se observa

atentamente pelas figuras 40 a 43.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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4.2. Hiptese 2

Nesta hiptese usou-se uma gitagem com 3 ataques por pea. Foram utilizadas

seguintes camisas exotrmicas utilizadas no estudo (1 e 3). O peso da gitagem de 29kg.

Simulao da pea A173

o Opo A Camisa exotrmica 1

Figura 43. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Figura 44. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.8).

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Figura 45 e 46. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6).

Observando as figuras 43 e 44, verificamos que para esta opo prev-se a

possibilidade de porosidade a temperatura usual de vazamento destas peas (1340C),

mesmo com um valor de CFSP maior (0.8). Nas simulaes a temperaturas diferentes, de

salientar o aparecimento de uma enorme porosidade (macroporosidade) na temperatura de

1310C (ver figura 45), e bastante menor na de 1370C (ver figura 46).

o Opo C Camisa exotrmica 3

Figura 47. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 48. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Figura 49. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Figura 50 e 51. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Para esta hiptese, relativa a esta opo C, as simulaes efectuadas prevem

aparecimento de porosidade (menor do que na opo A) nas peas para as temperaturas de

1310C e 1340C (ver figuras 48 a 50), apenas a simulao a temperatura superior (1370C),

sairia sem nenhum problema (figura 51).

Simulao da pea B174

o Opo A Camisa exotrmica 1

Figura 52. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C).

Figura 53. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 54. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Figura 55 e 56. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6).

Observando as figuras 53 a 56, verificamos que para esta opo prev-se a

possibilidade de porosidade em todas as opes de temperatura de vazamento. Na figura

54, o resultado obtido a mesma temperatura mas para um CFSP de 0.8, foi muito

semelhante.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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o Opo C Camisa exotrmica 3

Figura 57. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Figura 58. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 59 e 60. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) 1370C (direita) e CFSP = 0.6).

Em todas as simulaes feitas com esta opo prevem a iseno de porosidade nas

peas, sendo a opo mais valida nesta hiptese.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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4.3. Hiptese 3

Nesta hiptese procedemos a mais modificaes na gitagem, aumentando o nmero

de ataques a encher a cavidade da pea, sendo agora 5 ataques para cada pea. Neste

caso s foi feita a simulao para dois tipos de camisas exotrmicas (2 e 3), visto que a

camisa exotrmica 1, no seria a melhor soluo, atravs dos resultados nas simulaes da

hiptese 1 e 2. O peso desta gitagem de 31kg aproximadamente.

Simulao da pea A173

o Opo B Camisa exotrmica 2

Figura 61. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C).

Figura 62. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 63 e 64. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFSP = 0.6).

Relativamente a esta opo reparamos que para esta pea a simulao prev

rechupes para temperaturas de vazamento de 1310C e 1340C (figuras 62 e 63), enquanto

a 1370C j no prev (figura 64).

o Opo C - Camisa exotrmica 3

Figura 65. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 66. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFSP = 0.6).

Figura 67 e 68. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFSP = 0.6).

Apenas a uma temperatura de vazamento de 1310C (figura 67), na simulao desta

pea A173, se previa o aparecimento de rechupe. De resto nenhuma das outras

temperaturas (1340C e 1370C) apresentava rechupe (figura 66 e 68).

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Simulao da pea B174

o Opo B Camisa exotrmica 2

Figura 69. Resultado do tempo de solidificao da simulao visto em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C).

Figura 70. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFS = 0.6).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 71 e 72. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFS = 0.6).

o Opo C - Camisa exotrmica 3

Figura 73. Resultado da macroporosidade da simulao no VisualCAST (temperatura de

vazamento 1340C e CFS = 0.6).

Figura 74. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFS = 0.6).

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Figura 75. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1340C e CFS = 0.8).

Figura 76 e 77. Resultado da macroporosidade da simulao vista em corte no VisualCAST

(temperatura de vazamento 1310C (esquerda) e 1370C (direita) e CFS = 0.6).

Nesta hiptese, em nenhuma das opes estudadas (com camisa 2 e 3) e simulaes

efectuadas se prev aparecimento de rechupes na pea, como mostram as figuras 70 a 77,

mostrando que qualquer uma das camisas exotrmicas nesta pea B174 uma boa opo.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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A tabela X representa os valores da velocidade na zona dos ataques durante o

enchimento das cavidades para as diferentes hipteses, que em muitos casos pode ser

crtico para o aparecimento de problemas como as incluses de areia devido a turbulncia

durante o enchimento (ver em anexo imagens das simulaes).

Tabela X. Velocidade nos ataques durante o enchimento das cavidades das hipteses estudadas

Pea Velocidade nos ataques durante o enchimento (m/s)

Hiptese n 1 Hiptese n 2 Hiptese n 3

A173 0,2-0,5 0,3-0,5 0,35-0,5

B174 0,2-0,4 0,3-0,6 0,15-0,3

Fazendo um resumo dos resultados obtidos:

Podemos dizer que opo B e C (camisas exotrmicas de geometria igual e ambas

do mesmo fornecedor e com as mesmas propriedades, diferenciando no tamanho e

modulo), obteve melhores resultados nas duas peas do que a as obtidas com a opo A (o

tempo de queima da camisa menor que as duas anteriores o que influncia o seu

desempenho), sendo que a camisa 1 no ser usada em nenhum dos trabalhos futuros desta

pea.

Relativamente as hipteses apresentadas, as que so de maior utilidade e para

produo so a 1 e a 3 (a hiptese 2 foi descartada para uma eventual produo, ficando a

hiptese 3 para produo futura devido aos resultados mais satisfatrios) sendo que em

cada hiptese a melhor camisa exotrmica a utilizar ser a nmero 3. Para validao

iremos mostrar a hiptese 1, com a opo C.

Relativamente a tabela X, observa-se que na hiptese 1 e 3 a velocidade nos

ataques menor, havendo menor turbulncia durante o enchimento das cavidades.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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5. Validao da pea

As peas relativas hiptese 1 foram validadas experimentalmente, tendo sido

escolhida a opo C com camisa exotrmica 3 (140/150mm), com as seguintes condies

de temperatura de vazamento (no intervalo de 1340 e 1345C), com um tempo de

vazamento de 30 segundos. Em seguida esto apresentados os resultados dessa validao

experimental.

Figura 78. Pea A173 em da hiptese 1 (que foi produzida) esquerda e corte da pea com

destaque para o n2 o local onde aparecia rechupe direita.

Figura 79. Imagem do corte da pea na zona n 2, onde agora no aparece rechupe.

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Figura 80. Imagem em corte da pea B174,sem aparecimento de rechupe.

Para alm das imagens apresentadas, tambm se procedeu aos ensaios de raio-X, no

apresentando as duas peas porosidade.

As hipteses 3 (de 5 ataque) iro ser produzidas pela DURITCAST posteriormente,

que substituir a opo de hiptese agora produzida. A hiptese 2 foi descartada devido

aos resultados de simulao obtidos.

Figura 81 e 82. Imagem em corte do alimentador de topo (da camisa exotrmica) da pea.

A173,com rechupe ( esquerda) e parte do alimentador em contacto com a pea com um ligeiro

rechupe na zona assinalada ( direita), como previam as simulaes efectuadas.

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Tabela XI. Percentagem de refugo associado a produo em estudo.

A173 B174

Refugo 8% 11%

Peas produzidas 400 100

A percentagem de refugo apresentada ocorreu em grande parte a mau enchimento

das cavidades e incluses de areias na pea, no havendo casos de porosidade.

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6. Concluso

Como concluso desta dissertao, podemos referir alguns pontos:

1. A potencialidade do programa de simulao QuikCAST na ajuda na indstria de

fundio, atravs da previso de defeitos, diminuindo assim as taxas de refugo

nomeadamente na DURITCAST.

2. O aumento da eficincia do metal vazado nas peas produzidas, nomeadamente

na A173 e B174.

Relativamente ao ponto 1, convm salientar que a curva de aprendizagem do

programa acentuada, sendo o software de fcil aprendizagem (o malhamento

automtico, facilitando os procedimentos seguintes). Os pontos mais importantes deste

programa so a definio da grelha e malha (devendo rondar 3-6 milhes de clulas, para

uma simulao com resultados mais fiveis). O tempo de simulao bastante rpido

(dependendo da malha escolhida e espessura da pea) em comparao com outros

softwares, fornecendo assim resultados em pouco tempo, permitindo vrias hipteses e

modificaes nas gitagens antes de entrar na linha de produo.

Os resultados obtidos nomeadamente na hiptese 1, enquadram-se com o que

acontece na realidade, como vimos nos resultados da validao.

A calibrao do software foi feita com ajuda de outras peas j em produo e

devidamente validadas (bem com a ajuda da empresa ESI Group na indicao dos

parmetros de pr-processamento iniciais).

Relativamente ao ponto 2, a validao da produo da hiptese 1, indica que as

peas no tinham rechupe, estando em conformidade com as especificaes pretendidas

pelo cliente. Podemos tambm notar uma diminuio na quantidade de refugo em

comparao com os anos anteriores, sendo as que so refugo, foi devido a outros

problemas sem ser a porosidade (incluses de areia, mau enchimento, grafite degenerada),

conseguindo assim eliminar um dos problemas crticos destas peas. A hiptese 2 foi posta

de lado sendo optada a hiptese 3 para a nova produo destas peas para se obter um

enchimento mais suave e menos turbulento com vista a diminuir a incluso de areia nas

peas.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Consideraes futuras para trabalhos na empresa DURITCAST usando o

QuikCAST

Relativamente a este aspecto, como j foi sugerido, a hiptese 3 (com opo C de

camisa) ir ser produzida substituindo a hiptese 1, com vista a uma melhoria das peas no

que diz respeito s incluses de areias que esto associadas turbulncia no enchimento

das peas. Com esta hiptese tem-se em vista a diminuio da velocidade crtica nos

ataques, bem como um enchimento mais homogneo da pea (por cinco locais diferentes

em vez de apenas dois).

de considerar a mais-valia deste programa nesta empresa, devendo ser

continuamente melhorados os parmetros de pr-processamento para se obter resultados

ainda mais fiveis (a nvel de outras peas), rentabilizando o tempo e preo da produo.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Referncias

[1] Flemings, Solidification Processing, Materials Science and Engineering Series,Cap. 7

Fluid Flow, McGraw-Hill, 1974

[2] - D. Koshal, Manufacturing Engineers Reference Book, Cap. 3 - Metal Casting and

Moulding Processes, Elsevier, 1993

[3] ASM Metals Handbook, Volume 15 - Casting, Cap. Design Considerations, Gating

Design, 1992

[4] John Campbell, Castings Practice The 10 rules of castings, Cap. 2 Avoid turbulent

entrainment, 2004

[5] Norma Espanhola UNE 1563 de 1998

[6] - Apontamentos da disciplina de Engenharia Assistida por Computador do Professor

Vtor Martins Augusto

[7] - http://www.esi-group.com/products/casting (ultimo acesso em 20 de Julho 2009)

[8] - ESIGROUP, QuikCAST User Manual, Verso 2009.0

http://www.esi-group.com/products/casting

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Anexos

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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1. Explicao mais detalhada do programa QuikCAST

O programa de simulao QuikCAST apresenta algumas consideraes que

necessitam maior aprofundamento, passando de seguida a explicar algumas que no foram

devidamente explcitas no mtodo experimental, em especial o Input Data Check e

Solidification Material Parameters.

Figura 83. Submenu input data check do menu Process.

Dentro destes parmetros de pr-processamento devemos escolher os seguintes:

Hydraulic Conditions:

Initial Fluid fluido inicial de entrada na cavidade (conhecido por Inlet)

Figura 84. Imagem explicativa do que o volume inlet no QuikCAST.

Velocity velocidade de enchimento, indicando em funo desta o tempo de

enchimento da cavidade de moldao.

Permeability permeabilidade da moldao (areira verde ou autosecativa)

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Ceramic Foam Filter uso de filtro cermico, com escolha da espessura e

ppi do filtro.

Surface Roughness rugosidade das paredes da moldao (os valores

variam entre -1 e 1, ver imagem seguinte).

Figura 85. Explicao visual do parmetro de pr-procesamento Surface Roughness.

Figura 86. Menus dos parmetros de pr-processamento, Permeability, Ceramic Foam

Filter e Surface Roughness, respectivamente.

Thermal Conditions:

Temperature temperatura inicial de vazamento

External Exchance troca com o exterior

Exothermic Material propriedades das camisas exotrmicas, podendo

escolher o poder da camisa ou 3 parmetros (energia, temperatura de ignio

e tempo de queima)

Extended surfaces para o clculo da funo dos arrefecedores na

simulao (neste caso no foi usado).

Contact Resistance resistncia do metal durante enchimento

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 87. Menus dos parmetros de pr-processamento, Temperature e External Exchance

respectivamente.

Figura 88. Menus dos parmetros de pr-processamento, Exothermic Material e Contact

Resistance respectivamente.

Relativamente ao menu Solidification Material Parameters, a prioridade vai para o

Shrinkage calculation e Shrinkage Parameters. No 1 temos a opo de escolher o valor

para:

Critical fraction solid for piping formation

Critical fraction solid for porosity formation

Na 2 opo podemos escolher entre:

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Global contraction factor pode-se escolher o coeficiente de expanso da

grafite.

Based on density variation o mais comum usado nas simulaes, que faz o

clculo baseado na curva da densidade da liga escolhida.

Figura 89. Submenu solidification material parameteres do menu Process.

Figura 90. Explicao do CFSP e CFSPipping.

Na figura 91 mostra as opes de clculo de simulao do QuikCAST, enchimento,

solidificao ou ambos.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 91. Submenu de escolha de clculo da simulao [7].

2. Clculo da Gitagem das diversas hipteses

Os clculos apresentados em seguida foram desenvolvidos em parceria com o Eng.

Lus Sierra.

Figura 92. Imagem com o clculo da seco de ataque para 2 ataques.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 93. Imagem com o clculo da seco de ataque para 3 ataques.

Figura 94. Imagem com o clculo da seco de ataque para 5 ataques.

3. Resultados extra das simulaes visualizados no VisualCAST

O VisualCAST apresenta outras funcionalidades importantes como a visualizao

simulao do enchimento (quer em funo da temperatura, presso ou velocidade) e

solidificao, fraco de slidos e lquidos, pontos quentes, tempo de solidificao, critrio

de Niyama, DAS (Dendritic Arm Spacing). Nestes anexos mostraremos a simulao de

enchimento (em funo da temperatura e da velocidade) das hipteses estudadas. A escala

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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de temperatura (ou da velocidade) indicada ao lado da primeira figura de cada hiptese de

enchimento serve de referncia para as imagens seguintes.

o Enchimento da hiptese 1 da pea A173

Figura 95. Simulao do enchimento em 2%.

Figura 96 e 97. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 98 e 99. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 99% (direita).

o Enchimento da hiptese 2 da pea A173

Figura 100. Simulao do enchimento em 5%.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 101 e 102. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita).

Figura 103 e 104. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita).

o Enchimento da hiptese 3 da pea A173

Figura 105. Simulao do enchimento em 5%.

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 106 e 107. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita).

Figura 108 e 109. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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o Enchimento da hiptese 1 da pea B174

Figura 110. Simulao do enchimento em 5%.

Figura 111 e 112. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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Figura 113 e 114. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita).

o Enchimento da hiptese 2 da pea B174

Figura 115. Simulao do enchimento em 5%.

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Figura 116 e 117. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita).

Figura 118 e 119. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita).

o Enchimento da hiptese 3 da pea B174

Figura 120. Simulao do enchimento em 5%.

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Figura 121 e 122. Simulao do enchimento em 25% (esquerda) e 50% (direita).

Figura 123 e 124. Simulao do enchimento em 75% (esquerda) e 100% (direita).

Utilizao da Simulao do enchimento e da solidificao no aumento da eficincia do metal vazado na DURITCAST

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o Enchimento em funo da velocidade da Hiptese 1

Figura125. Simulao do enchimento em 20% pea A173.

Figura 126 e 127. Simulao do enchimento em 50% pea A173 (esquerda) e B174 (direita)

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o Enchimento em funo da velocidade da Hiptese 2

Figura 128 e 129. Simulao do enchimento em 20% (esquerda) e 60% (direita) pea A173, a

escala a mesma da hiptese 1.

Figura 130. Simulao do enchimento em 65% da pea B174.

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o Enchimento em funo da velocidade da Hiptese 3

Figura 131. Simulao do enchimento em 25% pea B174.

Figura 132 e 133. Simulao do enchimento em 60% pea B174 (direita) e A173 (esquerda)