Riassunto analitico
La progettazione della conchiglia è essenziale per il processo di colata in gravità (GDC) poiché influenza la qualità del getto. Le simulazioni di processi per colata in gravità permettono di indagare sulla qualità del componente prodotto dal punto di vista della fluidodinamica, termodinamica e dinamica della solidificazione. Oggigiorno, la riduzione dei costi di processo ricopre un ruolo importante. Per un ingegnere coinvolto nella progettazione e nella simulazione di processi di fonderia, una riduzione dei costi significa anche una riduzione dei tempi ciclo. Pertanto, viene analizzata la dinamica di solidificazione con l’applicazione di diversi acciai per gli inserti di una conchiglia. Gli acciai presi in considerazione sono l’1.2343 (UNI/DIN X38CrMoV5-1) e l’1.2383 (Thermodur® 2383 Supercool). L’acciaio 1.2383 ha tra le varie specifiche tecniche la capacità di avere un’alta conducibilità termica e resistenza a fatica termica.
Durante il lavoro di tesi vengono analizzate le variabili di progetto e combinate al fine di analizzare potenziali miglioramenti degli output desiderati. Quest’ultimi sono la qualità del getto prodotto (SDAS e porosità), riduzione del tempo ciclo e aumento del rendimento di materiale. Viene fornita una metodologia di simulazione per analizzare il layout di conchiglia con la combinazione migliore di inserti in acciaio 1.2343 e 1.2383. Successivamente, viene presentato un caso studio di una testata motore in lega di Al prodotta per colata in gravità. Al fine di valutare la qualità dei due acciai tramite la metodologia esposta, la campagna di simulazione mostra tra i vari layout scelti una riduzione del tempo di solidificazione utilizzando l’acciaio 1.2383. Allo stesso modo, il rendimento del materiale aumenta grazie all’ottimizzazione delle dimensioni del montante. Quest’ultimo fattore porta ad evitare anche la possibile formazione di porosità all’interno del getto. A seguito delle configurazioni di conchiglia proposte, l’intera ottimizzazione del processo viene effettuata anche tramite considerazioni di carattere economico. Infatti, si dimostra che adottando inserti in acciaio 1.2383 si ha un aumento del costo d’investimento iniziale, ma un ritorno economico grazie alla diminuzione dei costi di gestione delle attrezzature e della produzione del singolo getto.
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Abstract
The design of a die is essential for the Gravity Die Casting (GDC) since its design also affects the casting quality. GDC process simulations allow to investigate the casting quality from a fluid, thermal and solidification dynamics point of view. Nowadays, process cost reduction plays an important role. For an engineer involved in the design and simulation of foundry processes, a reduction in costs also means a reduction in cycle time. In order to reduce the cycle time, the solidification dynamics with the application of different steels for the inserts of the die is analysed. The steels considered are the 1.2343 (UNI/DIN X38CrMoV5-1) and the 1.2383 (Thermodur® 2383 Supercool). The 1.2383 steel has among various technical specifications the capacity to have enhanced thermal conductivity and hight thermal fatigue resistance.
During the thesis work, the design variables are analysed and combined in order to check the potential improvements for the desired outputs. Specifically, the outputs are the quality of the castings produced (SDAS and porosity), cycle time reduction and material yield. A simulation methodology is provided to analyse any die layout with the best combination of 1.2343 and 1.2383 steel inserts deliverable. Moreover, a case study of an engine head produced by gravity die casting is presented. In order to evaluate the combination of the two proposed steels with the presented methodology, the simulation campaign shows among the various configurations a reduction of the solidification time by using the 1.2383 steel. Consequently, the material yield increases due to the feeder design optimization. This also leads to avoidance of possible porosity formation within the casting. The entire process optimization with the various die layouts with the two combined steels is also performed through economic considerations. In fact, it is shown that by adopting inserts manufactured in 1.2383 steel, there is an increase of the initial tooling cost investment, but a decrease of maintenance, energy, material and production costs.
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