Simulación de fundición de metales

La simulación del proceso de fundición es una técnica computacional utilizada en la industria y la metalurgia para modelar y analizar dicho proceso . Esta tecnología permite a los ingenieros predecir y visualizar el flujo del metal fundido, los patrones de cristalización y los posibles defectos en la pieza fundida antes de que comience el proceso de producción real . Mediante la simulación del proceso de fundición, los fabricantes pueden optimizar el diseño del molde , reducir el consumo de material y mejorar la calidad del producto final.

Los fundamentos teóricos de la conducción del calor , de vital importancia para la simulación de la fundición, fueron establecidos por Jean-Baptiste Joseph Fourier en la École polytechnique de París. Su tesis «Teoría analítica del calor» ^{[ 1 ]} , premiada en 1822, sentó las bases para todos los cálculos posteriores de conducción y transferencia de calor en materiales sólidos. Además, el físico e ingeniero francés Claude-Louis Navier y el matemático y físico irlandés George Gabriel Stokes proporcionaron los fundamentos de la dinámica de fluidos , lo que condujo al desarrollo de las ecuaciones de Navier-Stokes . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Adolph Fick , trabajando en el siglo XIX en la Universidad de Zúrich , desarrolló las ecuaciones fundamentales que describen la difusión , publicadas en 1855. ^{[ 4 ]}

El inicio de la simulación en la fundición comenzó en la década de 1950 cuando V. Pashkis utilizó computadoras analógicas para predecir el movimiento del frente de cristalización. ^{[ 5 ]} El primer uso de computadoras digitales para resolver problemas relacionados con la fundición fue realizado por el Dr. K. Fursund en 1962, quien consideró la penetración del acero en un molde de arena. ^{[ 6 ]} Un trabajo pionero de J. G. Hentzel y J. Keverian en 1965 fue la simulación bidimensional de la cristalización de piezas de fundición de acero, utilizando un programa desarrollado por General Electric para simular la transferencia de calor. ^{[ 7 ]} En 1968, Ole Vestby fue el primero en utilizar el método de diferencias finitas para programar un modelo 2D que evaluaba la distribución de temperatura durante la soldadura . ^{[ 8 ]}

La década de 1980 marcó un aumento significativo en las actividades de investigación y desarrollo en torno al tema de la simulación del proceso de fundición con contribuciones de varios grupos internacionales, incluidos JT Berry y RD Pielke en los Estados Unidos, E. Niyama en Japón, W. Kurz en Lausana y F. Durand en Grenoble . Un papel especialmente importante en el avance de este campo lo desempeñó el profesor PR Sahm en el Instituto de Fundición de Aquisgrán . Los hitos clave de este período fueron la introducción de la " función de criterio " por Hansen y Berry ^{[ 9 ]} en 1980, la función de criterio de Niyama ^{[ 10 ]} para la representación de porosidades centrales en 1982, y la propuesta de una función de criterio para la detección de grietas en caliente en piezas de fundición de acero por E. Fehlner y PN Hansen en 1984. ^{[ 11 ]} A finales de la década de 1980, se desarrollaron las primeras capacidades para simular el llenado del molde.

La década de 1990 se centró en la simulación de tensiones y deformaciones en piezas fundidas, con importantes contribuciones de Hattel y Hansen en 1990. Esta década también vio esfuerzos para predecir microestructuras y propiedades mecánicas con el trabajo pionero de I. Svensson y M. Wessen en Suecia. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La fundición es un proceso complejo en metalurgia que implica la interacción de múltiples fenómenos químicos y físicos. El control efectivo de las operaciones de fundición requiere la comprensión de parámetros del proceso como el flujo, la temperatura y la solidificación. El modelado matemático de la fundición se utiliza ampliamente para realizar análisis detallados y la optimización del proceso de fundición. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

El modelado matemático de la fundición es un proceso complejo que implica la formulación y solución de ecuaciones matemáticas que describen fenómenos físicos como la conductividad térmica, la dinámica de fluidos y las transformaciones de fase , entre otros. Para resolver estas ecuaciones, se aplican diversos métodos de análisis numérico , entre los que destacan el método de elementos finitos (MEF), ^{[ 17 ]} el método de diferencias finitas (MDF) y el método de volúmenes finitos (MVF). Cada uno de estos métodos posee características particulares y se aplica en función de las tareas de modelado específicas y los requisitos de precisión y eficiencia en los cálculos.

Método de diferencias finitas (MDF): Este método se basa en ecuaciones diferenciales de transferencia de calor y masa, que se aproximan mediante relaciones de diferencias finitas. ^{[ 18 ]} La ventaja del MDF radica en su simplicidad y en su capacidad para simplificar la solución de problemas multidimensionales. Sin embargo, el método presenta limitaciones para modelar los límites de áreas complejas y su rendimiento es deficiente para piezas fundidas con paredes delgadas. ^{[ 19 ]}

Método de elementos finitos y método de volumen finito (MVF): ^{[ 20 ]} Ambos métodos se basan en ecuaciones integrales de transferencia de calor y masa. Proporcionan una buena aproximación de los límites y permiten el uso de elementos con diferentes discretizaciones . Los principales inconvenientes son la necesidad de un generador de elementos finitos, la complejidad de las ecuaciones y los elevados requisitos de memoria y tiempo.

Modificaciones del FVM: Estos métodos intentan combinar la simplicidad del FDM con una buena aproximación de los límites del FEM. Tienen el potencial de mejorar la aproximación de los límites entre diferentes materiales y fases. ^{[ 21 ]}

El análisis de diferentes métodos de modelado matemático de procesos de fundición muestra que el método de elementos finitos es uno de los enfoques más fiables y óptimos para la simulación de fundición. ^{[ 22 ]} A pesar de requerir mayores recursos computacionales y presentar mayor complejidad en su implementación en comparación con el método de diferencias finitas y el método de volúmenes finitos, el método de elementos finitos (MEF) proporciona una alta precisión en el modelado de límites, geometrías complejas y campos de temperatura, lo cual es fundamental para predecir defectos en las piezas fundidas y optimizar los procesos de fundición. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Los sistemas de ingeniería asistida por computadora (CAE) para procesos de fundición han sido utilizados durante mucho tiempo por fundiciones de todo el mundo como un " taller de fundición virtual ", donde es posible realizar y verificar cualquier idea que surja en la mente de diseñadores y tecnólogos . ^{[ 25 ]} El mercado global de CAE para procesos de fundición ya puede considerarse establecido. ^{[ 26 ]}

Dentro de la estructura de la empresa para el desarrollo de la tecnología de una nueva fundición, se crea un departamento de diseño asistido por computadora para procesos de fundición, responsable de operar los sistemas CAE para dichos procesos. Los cálculos son realizados por especialistas del departamento de acuerdo con sus instrucciones de trabajo , y la interacción con otros departamentos se rige por instrucciones de diseño tecnológico. ^{[ 27 ]}

El proceso comienza con la entrega del modelo 3D y el dibujo de la pieza a los tecnólogos de la fundición, quienes coordinan la configuración de la fundición con el taller mecánico y determinan los márgenes . ^{[ 28 ]} Luego, la tecnología se desarrolla en el departamento de CAE y se transfiere al taller de la fundición para realizar fundiciones experimentales. Se monitorean los resultados y, si es necesario, las piezas fundidas se examinan en el laboratorio central de la fábrica . Si se detectan defectos, se ajustan los parámetros del modelo y el proceso tecnológico en el departamento de CAE, tras lo cual la tecnología se prueba nuevamente en el taller. ^{[ 29 ]}

Este ciclo se repite hasta obtener piezas fundidas adecuadas, tras lo cual la tecnología se considera desarrollada e implementada en la producción en masa . ^{[ 30 ] [ 31 ]}

En la industria moderna de la fundición, el software para la simulación de procesos de colada es ampliamente utilizado. Entre las soluciones de software disponibles para la simulación de procesos de colada se encuentran ProCAST, MAGMASOFT , PoligonSoft y FLOW-3D CAST de Flow Science, Inc.

ProCAST: un sistema de modelado de procesos de fundición que utiliza el método de elementos finitos, el cual proporciona la solución conjunta de problemas de temperatura, hidrodinámica y deformación , junto con capacidades metalúrgicas únicas, para todos los procesos y aleaciones de fundición. Además de los aspectos principales de la producción de fundición (llenado, cristalización y predicción de porosidad), ProCAST es capaz de predecir la aparición de deformaciones y tensiones residuales en la fundición y puede utilizarse para analizar procesos como la fabricación de machos , la fundición centrífuga , la fundición a la cera perdida y la fundición continua . ^{[ 32 ]}

PoligonSoft: un sistema de modelado de procesos de fundición que utiliza el método de elementos finitos. Aplicable para modelar prácticamente cualquier tecnología de fundición y cualquier aleación de fundición. Durante mucho tiempo, PoligonSoft fue el único sistema de modelado de procesos de fundición en el mundo que incluía un modelo especial para el cálculo de la microporosidad . ^{[ 33 ] [ 34 ]} Hasta la fecha, este modelo puede considerarse el más estable, y los resultados obtenidos con su ayuda pueden satisfacer a los usuarios más exigentes. En muchos aspectos, PoligonSoft puede considerarse el equivalente ruso del sistema ProCAST. ^{[ 35 ]}

MAGMASOFT: un sistema de modelado de procesos de fundición que utiliza el método de diferencias finitas. Permite analizar procesos térmicos, llenado de moldes, cristalización y predecir defectos en las piezas fundidas. ^{[ 36 ]} El programa incluye módulos para diferentes tecnologías de fundición y ayuda a optimizar los parámetros de fundición para mejorar la calidad del producto. MAGMASOFT es una herramienta eficaz para aumentar la productividad y la calidad de la producción de fundición. ^{[ 37 ]}

FLOW-3D CAST : una plataforma de simulación de procesos de fundición desarrollada por Flow Science, Inc. que utiliza el método de volumen de fluido para el análisis del llenado del molde. El software modela el llenado del molde, la solidificación y la predicción de defectos en diversos procesos de fundición, incluyendo la fundición a la cera perdida , la fundición centrífuga y la fundición por inclinación, con especial énfasis en la simulación de fundición a alta presión . ^{[ 38 ] [ 39 ]}

La simulación del proceso de fundición refleja el conocimiento del usuario, quien decide si el sistema de llenado ha dado como resultado un resultado aceptable. Las sugerencias de optimización deben provenir del operador. El principal problema es que todos los procesos ocurren simultáneamente y están interconectados: los cambios en un parámetro afectan muchas características de calidad de la fundición. ^{[ 40 ]}

La optimización autónoma, que comenzó a finales de la década de 1980, utiliza la herramienta de simulación como un campo de pruebas virtual, cambiando las condiciones de llenado y los parámetros del proceso para encontrar la solución óptima. ^{[ 41 ]} Esto permite evaluar numerosos parámetros del proceso y su impacto en la estabilidad del mismo.

Es importante recordar que solo lo que se puede modelar se puede optimizar. La optimización no reemplaza el conocimiento del proceso ni la experiencia. ^{[ 42 ]} El usuario de la simulación debe conocer los objetivos y los criterios de calidad necesarios para alcanzarlos y formular preguntas específicas al programa para obtener soluciones cuantitativas. ^{[ 43 ]}

• Aleación – Mezcla o solución sólida metálica compuesta por dos o más elementos. 
• Fundición : Proceso de fabricación en el que se vierte un líquido en un molde para que se solidifique. 
• Metal – Tipo de material 
• Fundición de metales : verter metal líquido en un molde. 

• Software de simulación de fundición
• La eficiencia de la computación multihilo en el software de simulación de fundición