Modelling and simulation of die casting process in aluminium alloys

Abstract

In today's modern world, the need for increased production to meet demand is ever-present. However, due to time constraints, the primary focus is on boosting productivity and minimizing time-consuming tasks. By doing so, better solutions can be found, or the intrinsic costs of processes can be reduced. The Die Casting technology is no exception to this requirments. The time the engineers spent in the development and validation of gating design remains one of the bottlenecks of the process. Therefore, a solution must be found in order to improve the modelling and simulation of the die casting process. This dissertation explores the potential of using Python as a programming tool for the gating design in die casting manufacturing. The knowledge gained has been compiled into software named Highly Efficient Labor-saving Program Die Casting. This software can accommodate various casting alloys, it emphasizes aluminum alloys. The software was applied at two stages of gating design validation. First, it was used to generate the gating design, overflow, and venting system for a valve cover, along with the corresponding dimensional data for each section. Second, it was employed during the die casting process simulation to calculate the boundary conditions and initial conditions. The validation of the gating designs focused on three key aspects: die cycle simulation to ensure a stable thermal gradient, analysis of potential defects (such as shrinkage porosity, air entrainment, and cold shuts), and an evaluation of the process dynamics (based on the minor and major losses of the molten metal). In the process dynamics analysis, two distinct phases were identified where the losses behaved differently.

No mundo moderno de hoje, a necessidade de aumentar a produção para satisfazer a procura é constante. No entanto, devido a restrições de tempo, o foco principal está em aumentar a produtividade e minimizar o tempo despendido tarefas demoradas. Desta forma, podem ser encontradas melhores soluções ou os custos intrínsecos dos processos podem ser reduzidos. A tecnologia de fundição em alta pressão (Die Casting) não é exceção a estes requisitos. O tempo que os engenheiros gastam no desenvolvimento e validação do design do sistema de enchimento continua a ser um dos estrangulamentos do processo. Portanto, é necessário encontrar uma solução para melhorar a modelação e simulação do processo de fundição injetada. Esta dissertação explora o potencial de utilizar Python como ferramenta de programação para o design do sistema de enchimento no processo de fundição injetada. O conhecimento adquirido foi compilado num software denominado Highly Efficient Labor-saving Program Die Casting. Embora este software engloba várias ligas de fundição, é dada ênfase às ligas de alumínio. O software foi aplicado em duas fases da validação do design dos canais de enchimento. Primeiro, foi utilizado para gerar o design do sistema de enchimento, dos overflows e do sistema de ventilação de uma tampa de válvula, juntamente com os dados dimensionais correspondentes a cada secção. Em segundo, foi utilizado durante a simulação do processo de fundição injetada para o cálculo das condições de fronteira e condições iniciais. A validação dos designs do sistema de enchimento concentrou-se em três aspetos principais: simulação do ciclo do molde para garantir um gradiente térmico estável, análise de possíveis defeitos (como rechupe, aprisionamento de ar e frentes frias), e uma avaliação da dinâmica do processo (com base nas perdas localizadas e distribuidas do metal fundido). Na análise da dinâmica do processo, foram identificadas duas fases distintas onde as perdas se comportaram de forma diferente.