SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING

SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING PARA LA PREDICCIÓN DE DEFECTOS Y AUMENTOS DE EFICIENCIAS DE MOLDEO

ANDRÉS FELIPE DUQUE MESA

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍAS MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN NUEVOS MATERIALES MEDELLÍN 2010

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SIMULACIÓN DEL PROCESO LOST FOAM CASTING PARA LA PREDICCIÓN DE DEFECTOS Y AUMENTOS DE EFICIENCIAS DE MOLDEO

ANDRÉS FELIPE DUQUE

Trabajo de grado para optar al título de Magíster en Ingeniería énfasis en Nuevos Materiales

Director HADER VLADIMIR MARTÍNEZ Doctor en Energía y Termodinámica

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍAS MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN NUEVOS MATERIALES MEDELLÍN 2010

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Nota de aceptación

Firma Nombre: Presidente del jurado

Firma Nombre: Jurado

Firma Nombre: Jurado

Medellín, Abril de 2010

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“No olvides que un sueño sin acción es una ilusión” Daisuku Ikeda

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AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a: El Doctor Hader Vladimir Martínez, Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Pontificia Bolivariana, por sus acertados consejos y enseñanzas durante el tiempo de trabajo. Marco Fidel Valencia, Investigador de la Escuela de Ingeniería de Antioquia, por estar siempre dispuesto a solucionar cualquier duda de un compañero de trabajo. Patricia Fernández, Investigadora del GINUMA Universidad Bolivariana, por su apoyo técnico e incondicional compañerismo.

Pontificia

Mis socios Laura y Alejo por su paciencia y ayuda en todo momento. COLCIENCIAS el financiamiento del proyecto CIDI-854-02/06-18, del cual hizo parte este trabajo. Igualmente a la Universidad Pontificia Bolivariana por el financiamiento para la divulgación de resultados del mismo. El más grande agradecimiento A mi familia!

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CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN

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OBJETIVOS OBJETIVOS GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS

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1. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE 1.1 PROCESO LOST FOAM CASTING O FUNDICIÓN A LA ESPUMA PERDIDA (LFC) 1.1.1 Descripción del proceso 1.1.2 Generalidades y Beneficios LFC 1.1.3 Beneficios del proceso LFC 1.1.4 Requerimientos Producción de piezas por LFC 1.1.5 Variables del proceso LFC 1.2 DEFECTOLOGÍA Y CONDICIONES A MEJORAR CON LA SIMULACIÓN

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2. FUNDAMENTOS Y BASES TEÓRICAS DE LA SIMULACIÓN CON CFD 2.1.1 FLow 3D 2.1.2 CastCae 2.1.3 PAM-quik cast 2.2 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA PARA LA SIMULACIÓN 2.2.1 Generalidades de los Modelos matemáticos usados en CFD 2.2.2 Ecuaciones Gobernantes en Flow 3D 2.2.3 Métodos para las aproximaciones numéricas 2.2.3.1 Método de las diferencias finitas y los volúmenes finitos 2.2.4 Métodos usados por Flow 3D

40 44 46 47 48 48 53 60 61 63

3. DESCRIPCIÓN METODOLOGÍA DE SIMULACIÓN CON FLOW 3D 3.1 ESTUDIO PREVIO DEL PROCESO DE FUNDICIÓN 3.1.1 Materias primas 3.1.2 Fusión, vaciado y solidificación 3.2 METODOLOGÍA PROPUESTA PARA EL DESARROLLO DE LA SIMULACIÓN 3.3 VARIABLES ESTABLECIDAS PARA LA PARAMETRIZACIÓN DEL SOFTWARE 3.4 PROCEDIMIENTO DE AJUSTE Y PUESTA A PUNTO DE LA SIMULACIÓN 3.4.1 Ajuste Global 3.4.2 Modelos Físico 3.4.3 Fluido 3.4.4 Mallado 3.4.5 Condiciones de frontera

76 76 76 80

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81 82 83 84 84 88 89 91

3.4.6 Condiciones Iníciales 3.4.7 Resultados requeridos 3.4.8 Método Numérico 3.4.9 Simulación

92 92 93 93

4. ANÁLISIS MEDIANTE SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC 4.1 PIEZAS DE ESTUDIO 4.2 SISTEMAS ANALIZADOS 4.3 RESULTADOS SIMULACIÓN 4.3.1 LFC1 4.3.2 Pieza LFC2 4.3.3 Estudio de piezas LFC3 y LFC4

95 95 98 98 99 105 109

5. EXPERIMENTACIÓN EN PLANTA Y PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN 114 5.1 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN DE VACIADO DEL METAL EN PIEZAS TIPO LFC1 114 5.2 CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS Y CONTROLES SOBRE LAS PIEZAS METÁLICAS 116 6. IMPLEMENTACIÓN DE LOS RESULTADOS ARROJADOS POR LA SIMULACIÓN DENTRO DEL PROCESO PRODUCTIVO EN LA PLANTA DE LFC Y RECOMENDACIONES PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO BASADAS EN LA SIMULACIÓN DEL PROCESO LFC 126 6.1 CAMBIOS EN EL SISTEMA DE MOLDEO 126 6.2 RRECUBRIMIENTO REFRACTARIO 130 6.2.1 Análisis de información de pintura refractaria importada y estudio de componentes de la pintura refractaria existente 130 6.2.2 Estudio de propiedades de la pintura refractaria existente 132 6.2.3 Formulación preliminar y ensayos del recubrimiento formulado 136 6.3 CAMBIOS EN LA CONFIGURACIÓN PRODUCTIVA DEL PROCESO LFC 139 7. CONCLUSIONES

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8. SOCIALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS

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BIBLIOGRAFÍA

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LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Ensamble de árbol de modelos en PS 24 Figura 2. Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. Recubrimiento de modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno de convección forzada de los modelos de espuma 24 Figura 3. Preparación del recipiente metálico y apisonado de la arena en el proceso LFC 25 Figura 4. Simulación del proceso de fundición mediante con el programa FLOW 3D 45 Figura 5. Imagen obtenida para la simulación del proceso de fundición con FLOW3D 46 Figura 6. Simulación es CastCae 47 Figura 7. Simulación de la solidificación de un bloque de motor con el programa PAM-QUIKCAST 47 Figura 8. Ilustración del proceso de degradación de la espuma en el proceso LFC 49 Figura 9. Ilustración sobre el fenómeno termodinámico en el proceso LFC 52 Figura 10. Mallas en Flow 3D. a. malla en coordenadas rectangulares y b. malla en coordenadas cilíndricas 53 Figura 11. Ejemplo Energía vs. Temperatura que muestra el cambio de fase 58 Figura 12. Ilustración de la celda y el volumen de control de diferencias finitas 61 Figura 13. Ilustración método VOF 62 Figura 14. Representación de la geometría de elementos en una malla por la herramienta FAVOR 65 Figura 15. Mapa de distribución de defectos en una pieza procesado por inyección de aluminio HPDC 70 Figura 16. Carcasa de la cubierta del motor del avión A380 analizada con el modelo de aire atrapado 74 Figura 17. Variación de la conductividad térmica con la temperatura a Sílice con contenido de aglutinantes b. 4 tipos de arena comercial con contenidos de aglutinante 78 Figura 18. Modulo de ajuste global en Flow 3D 84 Figura 19. Modulo de ajuste de los modelos físicos disponibles 85 Figura 20. Modulo parametrización de la opción de identificación de defectos 85 Figura 21. Modulo parametrización de la opción de transferencia de calor 86 Figura 22. Modulo parametrización de la opción de solidificación 87 Figura 23. Modulo parametrización de la opción de viscosidad y turbulencia 88 Figura 24. Modulo parametrización del fluido 89

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Figura 25. Árbol de hidrantes configurado de tres formas diferentes: a. Un hidrante por árbol, b. Dos hidrantes por árbol, c. tres hidrantes por árbol, d. 4 hidrantes por árbol, e. Collar de derivación y f. árbol de collares, pueden ser vistas las diferentes secciones de EPS dentro del modelo 90 Figura 26. Método FAVOR para modelo de 4 hidrantes por modelo: a. Sólido creado digitalmente por la definición de malla en Flow-3D y (b) Modelo de espuma real 91 Figura 27. Diseño de fronteras del sistema 91 Figura 28. Modulo para el ajuste de las condiciones iníciales en Flow 3D 92 Figura 29. Modulo para el análisis de la estabilidad en Flow 3D 94 Figura 30. Detalle del hidrante Mega 6 producido por Cobral Ltda 96 Figura 31. Geometrías Collares de derivación de fluido. a. Tipos mariposa y b. Tipo barril 97 Figura 32. Distribución de temperatura durante el procesamiento de hidrantes por LFC 100 Figura 33. Simulación del llenado para el modelo de 2 hidrantes 100 Figura 34. Simulación y producción de hidrantes con modelos de 3 piezas. a. simulación numérica, b. ensayo en planta y c. detalle de porosidad generada en la salida de agua principal del hidrante 101 Figura 35. Comparativo simulación vs. producción de 4 hidrantes por LFC: a. Concentración de defectos en la superficie del modelo (Flow-3D) y (b) Defecto de carbono brillante encontrado en la pieza fundida 102 Figura 36. Comparativo simulación vs. producción de hidrantes por LFC: (a). Pérdida de la continuidad en el flujo de metal por excesiva presión durante el llenado, (b) Presión excesiva durante la simulación en Flow-3D del modelo de 4 hidrantes y (c) Barril formado durante el vaciado en la producción de hidrantes 103 Figura 37. Tiempo de solidificación para el modelo de 4 hidrantes 104 Figura 38. Análisis mediante Flow 3D de el modelo de collares de derivación propuesto por Cobral ltda 105 Figura 39. Irregularidades del flujo de metal en el modelo de collares propuesto por Cobral ltda 106 Figura 40. Identificación de los diferentes frentes de metal en el modelo de collares 107 Figura 41. Análisis de concentración de defectos mediante Flow 3d en modelo de collares 107 Figura 42. Análisis del tiempo de residencia del metal en el molde para el modelo de collares 108 Figura 43. Configuración de los árboles de moldeo para discos y campanas de freno 109 Figura 44. Distribución de temperatura durante el procesamiento de discos logan por LFC 110 Figura 45. Detalle de los estabilizadores de flujo de metal 110 Figura 46. Análisis de concentración de defectos en discos de freno 111 Figura 47. Ensayo de Rayos X sobre pieza tipo LFC3 112

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Figura 48. Tiempo de solidificación para el modelo de 12 piezas tipo LFC3 113 Figura 49. Ensayos de preproducción con modelos de espuma. a. Armado árboles, b. Recubrimiento refractario, c. Secado recubrimiento, d. Moldeo en arena y e. Fusión y desmoldeo 115 Figura 50. Micrografía óptica del hierro nodular producido por Cobral ltda 116 Figura 51. Estadística de composición por elemento para el hierro nodular en hidrantes y collares 117 Figura 52. Reportes mes a mes de las propiedades mecánicas encontradas en el hierro nodular utilizado en la producción de hidrantes y collares 118 Figura 53. Evaluación por SEM de la defectología. a. muestra de pieza enviada con defecto marcado, b. Imagen SEM (contraste topográfico) a 150x y c. Imagen SEM Backscatter Electron (contraste composicional) a 150x 119 Figura 54. EDS realizado sobre el área del metal analizada 120 Figura 55. EDS realizado sobre defecto presente en sección analizada 120 Figura 56. Secciones del hidrante para el ensayo de rayos X 122 Figura 57. Sistema de alimentación para la fabricación de piezas tipo LFC1 127 Figura 58. Rechazos en la producción de piezas por fundición tradicional en arena verde 128 Figura 59. Porcentaje de rechazos mes a mes para las piezas producidas por LFC en una planta de producción Colombiana 129 Figura 60. Modelo de 6 piezas por árbol para la producción 130 Figura 61. Ficha técnica de la pintura refractaria usada por Cobral Ltda 132 Figura 62. Ensayo sobre recubrimiento refractario formulado, a. Secado de la pintura refractaria FCI y Bach, b. arol finalizado y c. Ensamble con pintura FCI 139 Figura 63. Mejoras en la iluminación de la planta, a. antes de la reforma y b. luego de la reforma 140 Figura 64. Reorganización zona almacenamiento de espuma, a. Guacales ubicados en medio de la zona de moldeo antes de la remodelación y b. nuevo mezanine de almacenamiento de blancos 140 Figura 65. Defecto de carbono brillante. a. pieza con el defecto y b. pieza sin el defecto 141 Figura 66. Defecto de sinterización de arena en entradas de metal 142 Figura 67. Modificación del sistema de agitación del recubrimiento 142 Figura 68. Ficha para el control de granulometría en arenas 143 Figura 69. Masas vibratorias ubicadas en las volantes de las mesas vibratorias 144 Figura 70. Nuevo diseño del sistema de refrigeración de arenas 144

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LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Tolerancias estimadas en un proceso de fundición a la espuma perdida comparadas con tolerancias alcanzadas con otros procesos de fundición 28 Tabla 2. Resumen de las variables en el proceso LFC, divididas por etapas de proceso 35 Tabla 3. Defectos Característicos del proceso LFC 37 Tabla 4. Análisis del llenado y solidificación durante los procesos de transformación de metal mediante fundición 40 Tabla 5. Variables del proceso y requeridas para la simulación del proceso LFC 49 Tabla 6. Características de la Pintura Refractaria Polyshield P2350 77 Tabla 7. Datos Técnicos del Poliestireno Styropor CHF 416 79 Tabla 8. Niveles óptimos de densidad para el EPS según el tipo de material a fundir 80 Tabla 9. Mezcla de materias primas para 500 Kg. de hierro gris 80 Tabla 10. Parámetros y propiedades alimentados al software de simulación 83 Tabla 11. Resultados esperados de la simulación con Flow 3D 93 Tabla 12. Descripción de las eficiencias de moldeo y geometrías de los árboles objetivo de análisis 98 Tabla 13. Resumen de resultados ensayos de rayos x en piezas Tipo LFC1 124 Tabla 14. Modificaciones realizadas sobre los árboles de Cobral Ltda 126 Tabla 15. Condiciones ensayo de mojabilidad sobre pintura refractaria 133

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LISTA DE CUADROS Pág. Cuadro 1. Descripción del modelo de Aire atrapado de Flow 3D

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Cuadro 2. Metodología utilizada en la planta de fundición para la implementación de la técnica LFC: a. Simulación numérica, b. Modificación sobre árboles y modelos, c. Ensayo en planta, d. Caracterización de defectos y e. producción en línea e implementación de mejoras

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GLOSARIO

ADVECCIÓN: es variación de un escalar en un punto dado, por efecto de un campo vectorial. Por ejemplo: el transporte de una sustancia contaminante por la corriente de un río; en meteorología, el proceso de transporte de una propiedad atmosférica, como el calor o la humedad, por efecto del viento; en oceanografía, el transporte de ciertas propiedades, como la salinidad, por las corrientes marinas. Tales propiedades tienen una distribución espacial. AFS: Sociedad Americana de Fundición. AGENTE DE EXPANSIÓN: componente del los polímeros que permite que sean espumados mediante un proceso de expansión. El agente de expansión utilizado para espumar el PS (poliestireno) es el pentano. ÁRBOL: arreglo de modelos en EPS que contienen ensamblados el sistema de alimentación de metal y el vaciadero en cascarilla cerámica. BAJANTE: elemento por donde es vertido el metal fundido en el momento del vaciado del metal. CÁMARA DE MOLDEO: Cavidad del molde donde se genera el reblandecimiento y fusión de la perlas de PS , la cual tiene la forma de la pieza a producir. CANALES DE DISTRIBUCIÓN: son los encargados de distribuir el flujo de colada hacia cada uno de los modelos. CASCARILLA CERÁMICA: Material de fibras cerámicas con el cual es fabricado el bajante para los árboles. COLADA: metal fundido COMPACTACIÓN: proceso de aglomeración o densificación de la arena que rodea al modelo antes del vaciado del metal. Se realiza con ayuda de mesas vibratorias. CONSOLIDACIÓN: Fabricación, formación ENSAMBLAR: proceso de unión de las secciones de EPS para formar el modelo a fundir, es realizado con una pega especial para este material. EPS: Material termoplástico espumado, de origen hidrocarburo con el cual se fabrican las secciones del modelo a fundir.

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EPSI: es el criterio de convergencia usado para determinar en qué punto las interacciones de presión tienen convergencia. Este valor es calculado automáticamente por flow3D y debe ser menor al incremento en el paso de tiempo. ESTABILIZACIÓN DEL MODELO DE ESPUMA: proceso de contracción y expansión que sufre el modelo de espuma al salir de la cavidad del molde. EXPANSIÓN: Fenómeno presente en las perlas de poliestireno que son sometidas a procesos de calentamiento, se realiza la expansión del poliestireno para lograr la disminución de la densidad, con lo cual se obtiene el EPS. ENVEJECIMIENTO: Etapa del proceso LFC, necesaria para dar estabilidad dimensional al modelo de espuma FAVOR: es un método exclusivo de FLOW-3D que diagnostica la representación geométrica y permite eliminar las escalas o faltas de material que la malla genera al leer la geometría implementada para el problema. También consiste en la agrupación de una serie de algoritmos especiales para computar las áreas interfaciales, evaluar los esfuerzos en las paredes, aumentar la estabilidad numérica y computar la advección a lo largo de las fronteras solidas. FUNDICIÓN: nombre dado a las empresas que producen piezas mediante proceso de fusión de metal, también es utilizada esta palabra para referirse a las piezas fabricadas por este método FUSIÓN: derretir, fundir tanto el metal como cualquier material INTERACCIÓN METAL/RECUBRIMIENTO/ESPUMA: reacciones químicas y térmicas que ocurren durante el proceso de vaciado y solidificación. LFC: sigla en Ingles Fundición a la Espuma Perdida. Proceso de fundición que utiliza modelos de EPS (poliestireno expandido) para generar la cavidad de la pieza a fundir. MATRIZ: término que describe la cavidad o cavidades usadas para producir un modelo de espuma. MÁQUINA DE MOLDEO: equipo donde son fabricadas las secciones del modelo de espuma, la cual utiliza diferentes moldes para este fin. Es similar a una maquina de inyección de plástico pero con la diferencia de que el material es dosificado con la ayuda de aire a presión en vez de un tornillo de extrusión. MEDICIÓN GRANULOMÉTRICA: ensayos realizados sobre la arena y las perlas de PS, para determinar el tamaño de grano. MODELO: elemento de EPS fabricado por la máquina de moldeo.

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MODELO DE ESPUMA: Pieza de EPS que es destinada al ensamble del árbol de piezas en poliestireno expandido, que han sido moldeadas en forma exacta a la pieza que se desea reproducir en metal. MOLDEO: es el proceso que se lleva a cabo para producir los modelos de espuma a partir de las perlas de EPS preexpandidas. El moldeo de los modelos es realizado en una prensa hidráulica usando un molde de aluminio MOJABILIDAD: fenómeno fisco que se refiere a la dificulta que tienen los líquidos para mojar una superficie sólida. PARÁMETROS DE PROCESO: algunas variables que representan un grado de importancia significativo en el proceso. PENTANO: hidrocarburo incluido en la composición del PS que sirve como agente expansor durante la producción del EPS PERLAS: glóbulos pequeños de EPS que conforman la espuma. PERLAS CRUDAS: perlas de EPS sin expandir. PERLAS QUEMADAS: perlas en las cuales se excedieron los tiempos y/o temperaturas de prensado en la máquina de moldeo. PERLAS PREEXPANDIDAS: perlas que pasaron por un proceso previo de expansión antes de ser formadas en la prensa del moldeo. PERMEABILIDAD: una medida de la facilidad de transmisión de un gas a través de un medio particulado. PRE PROCESADOR: es una herramienta del software de simulación para evaluar la estabilidad de la malla y las condiciones iniciales basándose en la programación del archivo de entrada. Antes de correr la solución debe ser diagnosticado el problema mediante el preprocesador buscando irregularidades en las variables de entrada y en la representación geométrica del problema a analizar. PRESIÓN DE EXPANSIÓN: en la presión generada dentro del molde para poder generar el fenómeno de expansión. PRESIÓN HIDROSTÁTICA: es la presión generada por la distancia vertical entre la boca del vaciadero el punto más bajo del árbol. PRESIÓN DE LLENADO: es la presión de dosificación entregada por el compresor para que el molde de EPS que completamente lleno de perlas antes del prensado.

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PROPIEDADES DEL ÁRBOL: particulares necesarias en el ensamble del árbol de modelos entre la cuales están: diseño de los canales de alimentación, altura del vaciadero, numero de piezas por árbol, etc.. RECIPIENTE METÁLICO: contenedor donde es puesto el modelo antes de realizar la adición de arena. REVESTIMIENTO: aplicación de una película refractaria al modelo ensamblado por aspersión. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE METAL: Conjunto de vertederos y correderas que sirven para conducir el metal fundido hacia los modelos de espuma. TAMIZ: malla metálica que se usa para seleccionar el tipo de arena según su tamaño. Se utiliza en el ensayo de granulometría. VACIADERO: parte del árbol en la cual se vierte directamente el metal fundido en el momento del vaciado. VERTER: depositar el metal líquido en el molde para obtener la fundición.

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RESUMEN

El proceso Lost Foam Casting (LFC) tiene una serie de cualidades con las que otros procesos de fundición no cuentan como: Excelente acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales, logra espesores muy delgados, disminuye operaciones de mecanizado en las piezas terminadas, se logran geometrías muy complejas, entre otras. Además el proceso permite automatización en algunas etapas. No obstante, la gran cantidad de cualidades que pueda tener se ven opacadas por una serie de problemas que se presentan al introducir nuevas geometrías o piezas al moldeo, por tanto llegar a un punto óptimo de operación, donde se obtienen los porcentajes de rechazo mínimos para una nueva pieza, es difícil pues se incurren en errores de diseño y las variables de fundición se desconocen. Lo anterior se presenta debido a un sin número de defectos en las piezas fundidas provenientes de errores en el diseño de las piezas (canales de alimentación de colada estrechos, generación de puntos calientes, resistencia inadecuada, etc.), lo que obliga a practicar varias pruebas y ensayos para obtener un diseño óptimo que no presente complicaciones en las etapas de moldeo. En la actualidad Cobral Ltda. es la única empresa en Colombia que fabrica piezas por LFC, al iniciar el trabajo de investigación los defectos que se presentaban en las piezas fundidas se analizan en el laboratorio buscando su origen dentro del proceso, casi siempre al aparecer un nuevo defecto se debía comenzar con un seguimiento a todas las variables del proceso para poder detectar el origen del mismo. Además se practicaban pruebas de ensayo error cuando, al introducir una pieza, no se obtenía el punto óptimo de operación. Este método de ensayo era costoso, pues se generaban gastos de materia prima, tiempo perdido de los operarios, energía, etc. La técnica de LFC (Lost Foam Casting) posee hoy día gran interés a nivel industrial para la producción de piezas de geometría compleja y excelentes acabados, con tolerancias dimensionales muy precisas. Sin embargo, la puesta a punto de dicho proceso y su optimización son realizadas en muchos casos mediante ensayo – error como en Cobral, encontrando muy pocos casos en los cuales se hace uso de la modelización matemática para la predicción de defectos en piezas fundidas. En el trabajo que se muestra a continuación es reportada la simulación numérica mediante herramientas computacionales de diversos fenómenos térmicos que dan lugar a la defectología de partes fundidas por LFC. Para la misma, se han considerado mallas simples y de bloques múltiples, buscando la mayor precisión en los modelos. En particular, el calor transferido desde el metal hasta la espuma es usado para calcular el volumen de espuma que se degrada, la velocidad y el tiempo de llenado de los moldes. Finalmente, la simulación asociada del proceso de solidificación permitió encontrar los puntos de mayor contracción y concentración de defectos, lo cual facilitó la implementación y la optimización de parámetros de proceso para la fundición por LFC de hidrantes en Cobral Ltda.

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Del trabajo desarrollado se identifica como principal aporte al conocimiento la metodología desarrollada para facilitar la implementación de una nueva referencia en el proceso LFC, la cual disminuye el tiempo de ajuste, número de ensayos y nivel de defectos asociados al proceso que se presentan en la búsqueda de una eficiencia adecuada para una nueva pieza que se pretenda fabricar por LFC. Asimismo, la investigación presentó una innovación tecnológica alta, puesto que por primera vez en Colombia se implementaron técnicas CFD para la optimización y predicción de la calidad del proceso LFC Además, El impacto tecnológico repercutió positivamente en la comunidad empresarial debido a que la información extraída de los resultados de la simulación permitió intervenir el proceso productivo de Cobral Ltda., modificando los sistemas de alimentación de metal, ubicación de las piezas y eficiencias de moldeo y de fundición. Igualmente se realizaron estudios sobre el recubrimiento refractario para lograr que el mismo mantuviera una permeabilidad adecuada para la producción de Hidrantes y collares de derivación. Durante el desarrollo del presente trabajo fueron realizadas varias publicaciones con el objetivo de dar a conocer los conocimientos adquiridos en el tema de modelación numérica de procesos de fundición, además, con el fin de exponer a la comunidad académica los adelantos y posibles mejoras que pueden ser tenidas en cuenta para el proceso LFC.

PALABRAS CLAVES: Lost Foam Casting, simulación numérica, defectología fundición, fundición a la espuma perdida, Flow 3D.

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INTRODUCCIÓN

Con el pasar del tiempo y el incremento de herramientas computacionales, se ha facilitado la posibilidad de simular los procesos de fundición de metales. Esta brecha científica, tuvo su origen en los años cuarenta con la modelación de la transferencia de calor en modelos de fundición. La aplicación principal, durante esta época, fue la obtención de isotermas en el momento del vaciado del metal, accediendo así la predicción de puntos calientes en los moldes de fundición. Sarjant y Slack, calcularon posteriormente la distribución interna de temperatura en lingotes de acero, usando métodos numéricos para modelar el flujo de calor por conducción. Ya en los 60’s, la primera aplicación utilizando computadoras digitales fue realizada por Fursund en Dinamarca, encontrando que la difusión de calor, en el proceso de fundición en arena, afectaba el acabado superficial del acero fundido. La dinámica de fluidos computacional (CFD) es un método para simular un proceso de flujo de metal en el cual las ecuaciones de flujo de fluidos como la de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad son discretizadas y resueltas para cada elemento de una malla computacional, que es creada para dividir el volumen de control en pequeñas secciones. El uso de Software CFD es algo similar a realizar experimentación en laboratorio. Si la prueba de laboratorio no se ajusta correctamente para simular una situación de la vida real, los resultados no reflejarán la realidad del fenómeno. De la misma manera, si el modelo numérico no es ajustado de la manera correcta, los resultados no reflejará el fenómeno acorde a la realidad. En tal caso el ingeniero que analiza proceso con la ayuda de CFD debe decidir qué cosas son importantes y cómo deben ser representadas. Algunas preguntas que se plantearon para el planteamiento y solución de la simulación de la técnica LFC fueron: • • • • • • •

¿Qué quiero aprender del cálculo? ¿Cuál es la escala y cómo debe ser diseñada la malla para capturar los fenómenos importantes? ¿Qué tipo de condiciones de frontera son las adecuadas para representan el fenómeno real? ¿Cuáles propiedades del fluido son importantes y deben ser usadas para la simulación? ¿Cuáles fenómenos físicos son importantes en la simulación (transferencia de calor y de masa, la presión, la temperatura)? ¿Cuál es el estado inicial del fluido y de la atmósfera circundante? ¿Cuál sistema de unidades debe ser utilizado?

De otro lado, el proceso de Fundición a la Espuma Perdida (FEP) o Lost foam Casting (LFC) ha sido utilizado en los últimos años para la fabricación de un sin número de partes de diferentes complejidades y requerimientos, incluyendo piezas automotrices, aeronáuticas y de transporte de fluidos, para las cuales se requiere alta calidad y desempeño, y por lo tanto, con cero rechazos durante su 19

manufactura. Es así como para dicha tecnología de fundición, se han venido desarrollando igualmente diferentes herramientas de simulación, que permitan predecir defectos e irregularidades durante el llenado y la solidificación de piezas. En el proceso LFC se utiliza espuma de poliestireno (EPS) con la forma de la pieza a producir, a la cual se adicionan solidariamente un sistema de alimentación y bajante. Este modelo en conjunto, es recubierto con pintura refractaria y luego colocado en un recipiente metálico donde se cubre con arena. Posteriormente, el modelo de espuma es fundido y degradado químicamente al contacto con el metal líquido. Durante mucho tiempo, las mejoras en la calidad de productos fabricados por LFC, se han fundamentado en conocimientos empíricos, obtenidos con metodologías de ensayo error dentro de las empresas productoras. La modelación numérica del proceso LFC es por lo tanto una metodología reciente, que se basa en los fenómenos de descomposición y degradación del modelo de espuma1. La problemática de mayor impacto identificada para el proceso LFC se establece en la dificultad de introducir una nueva referencia sin que se presenten defectos de calidad, debidos en gran medida a diseños de sistemas de alimentación de baja eficiencia y parámetros de proceso mal seleccionados. Para el caso que fue de interés en esta investigación, se realizaron una serie de simulaciones del proceso LFC con técnicas de simulación CFD (computational Fluid Dynamics), en las cuales se utilizó el método VOF Freesurface Tracking Method de Hirt 2 3. Se ilustra el estudio de las zonas de concentración de defectos y los problemas debidos al llenado y solidificación de moldes para la producción de autopartes y accesorios para el transporte de fluidos (Hidrantes y collares) en la empresa colombiana Cobral Ltda. Uno de los aspectos fundamentales que se contemplaron para el desarrollo del presente trabajo fue el seguimiento de una metodología de trabajo diseñada, la cual genero un conocimiento que permitió mejorar la calidad de los productos manufacturados a nivel nacional por la técnica LFC. En tal sentido el trabajo desarrollado muestra como los productos denominados de base tecnológica, poseen un fuerte soporte desde el conocimiento de los fenómenos asociados a su producción, manufactura y síntesis. El uso se herramientas de simulación de procesos, sumado a técnicas de caracterización especializadas son la base de los excelente resultados que se 1

MARTÍNEZ, H. V ; FERNÁNDEZ, G.P. CRUZ, L.J. y DUQUE, A.F. Desarrollo de hidrantes y collares en hierro nodular, mediante la técnica de fundición a la espuma perdida. En: Reporte proyecto. Programa Nacional de Desarrollo Tecnológico, Industrial y calidad de Colciencias, Medellín: Colciencias, 2007. 2 HIRT, C.W. y BARKHUDAROV, M.R. Casting Simulation Mol Filling and Solidification Benchmark Calculation Using Flow-3D. En: Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes; p. 935-946 3 FLOW SCIENCE INC. Flow-3D manual. Mem. Flow-3D Training Course. New Mexico, 2006.

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lograron para la técnica LFC En sus inicios Cobral Ltda fabricaba su producción mediante técnicas de fundición tradicional, las cuales no lograban la productividad adecuada para piezas como Hidrantes y collares de derivación, asimismo presentaba un alto nivel de defectos haciendo que la calidad general de la planta fuera baja y tuviera que ser reprocesada una alta cantidad de metal, incurriendo en costos por sobre proceso. Lo anterior sucedía con referencias fabricadas por fundición tradicional en general. A pesar de que Cobral ya tenía implementado el proceso LFC para algunas referencias de la línea automotriz, que en su mayoría presentaban altas eficiencias de moldeo y excelentes niveles de calidad, algunas piezas como los discos y campanas de freno Logan presentaban todavía un bajo nivel en la eficiencia de moldeo. Por tales motivos las piezas fabricadas por fundición tradicional debían ser evolucionadas a la técnica LFC para que siguieran siendo competitivas en el mercado internacional. Igualmente sobre las piezas ya fabricadas por LFC tenían que mejorarse las eficiencias de moldeo en búsqueda de obtener la mayor productividad. Para lograr el anterior propósito se uso la técnica CFD en búsqueda de optimizar la eficiencia en las piezas producidas ya por LFC y para implementar la técnica sobre las piezas fabricadas por fundición tradicional. Se realizaron varias simulaciones en software CFD para la identificación de las características del flujo de metal y defectología asociada a las piezas fundidas por LFC. Para la simulación, se consideraron diferentes geometrías de árboles de moldeo y sistemas de alimentación, permitiendo evaluar las mejores eficiencias de moldeo y las características geométricas que entregan mejor calidad en las piezas fundidas. El primer trabajo de simulación fue realizado con ayuda de la empresa Flow Science ubicada en Santa Fe (New Mexico, USA), se viajo en el mes de febrero de 2007 a esta ciudad para trabajar en conjunto con los ingenieros de esta empresa. Con el trabajo en simulación sobre las geometrías básicas de los modelos, se pretendía evaluar el actual sistema de vaciado, canales de alimentación de metal y la presencia de defectos. Dicho trabajo conjunto con la empresa norteamericana permitió fortalecer las bases de simulación del equipo de ingeniería del GINUMA con la finalidad de iniciar la intervención de los diseños de sistemas de alimentación actualmente utilizados en COBRAL Ltda., buscando disminuir el porcentaje de defectos presente en la planta.

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OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERAL Caracterizar e identificar mediante herramientas CFD la defectológia asociada a piezas tipo automotriz y para el transporte de fluidos producidas por Fundición a la Espuma Perdida (LFC) en búsqueda de optimizar su calidad estructural, desempeño y eficiencia de producción.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS •

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Simular el proceso Lost Foam Casting (LFC) usado por Cobral Ltda, para la producción de autopartes y accesorios para el transporte de fluidos, mediante FLOW 3D con el fin predecir la formación de defectos que se presentan en la etapa de vaciado del metal y optimizar los sistemas de alimentación de metal en búsqueda de mejorar la calidad de las piezas fundidas producidas por esta empresa Realizar una revisión bibliográfica del tema de modelación y simulación del proceso de fundición tradicional y del proceso LFC, para indagar acerca de los modelos matemáticos de mayor eficiencia desarrollados para la simulación Evaluar que programas existen en el mercado para la simulación del proceso LFC y mirar cuales son los más utilizados en aplicaciones industriales Elaborar un diagnostico sobre el proceso LFC dentro de la planta de Cobral Ltda. con la finalidad de extraer los valores y variables requeridos para parametrizar la simulación en Flow 3D. Relacionar los defectos presentes en las piezas fundidas por LFC con las variables que gobiernan la etapa de vaciado y solidificación durante el proceso. Utilizar técnicas de CFD (computacional fluids dynamic) para la modelación del vaciado y solidificación del metal en LFC Diagnosticar la valides de la simulación elaborando pruebas mecánicas, químicas y morfológicas sobre las piezas producidas en ensayos para identificar el origen de las defectologías. Establecer las variables a modificar en el proceso productivo arrojadas por la simulación. Implementar los resultados arrojados por la simulación dentro del proceso productivo en la planta de LFC Realizar 2 publicaciones a nivel nacional.

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1. ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE

Se muestran a continuación las bases teóricas del proceso LFC, haciendo hincapié en los aspectos fenomenológicos básicos que influyen en la defectologia de las piezas fundidas por LFC. Igualmente se muestra

1.1 PROCESO LOST FOAM CASTING O FUNDICIÓN A LA ESPUMA PERDIDA (LFC) El proceso LFC generalmente es utilizado para la producción de piezas que requieren buenos acabados y tolerancias muy estrechas, también es usado cuando se quiere implementar una producción en línea dentro de una empresa de fundición porque trae grandes beneficios para tirajes de producción largos donde se producen las mismas piezas o de similares cualidades. A pesar de que el uso de modelos de espuma fue patentado el 15 de abril de 1958 por H. F. Shroyer, su desarrollo a nivel comercial se llevó a cabo por Merton C. Flemings en 1962. Este proceso de fundición, donde son usados moldes de arena sin aglutinantes, se clasifica dentro de las vías alternativas a las de moldeo con arenas verdes45. El proceso ha comenzado a adquirir importancia debido a que ofrece buenos acabados en la fabricación de partes complejas y permite tolerancias estrechas. Solo alrededor de 32 (censo 2005) plantas de fundición a nivel mundial tienen implementado este proceso de manera eficiente, en países como Francia, Japón Canadá y Estados Unidos6. Actualmente la técnica LFC se encuentra en crecimiento y está siendo aceptada en muchas más empresas por las ventajas productivas que trae como7: • • • •

Disminución del consumo de arena: casi el 100% de ésta puede ser reutilizado al no tener aglutinantes ni humedad Disminución del costo por manejos de residuos sólidos y líquidos Disminución de tiempos de mecanizado por las altas tolerancias logradas en el proceso Mayores eficiencias en la etapa de moldeo.

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RAYMOND W., Monroe. Expendable pattern casting. Illinois. Estados Unidos: American Foundrymen’s Society, 1992. 5 PIWONKA S., Thomas. Unbonded sand molds. Molding and Casting Processes. Alabama: Editorial, 1990. 6 CARTAGENA PALACIO, Andrés Mauricio y CHAMORRO ARROYAVE, Juan Camilo. Fundición a la espuma perdida (LFC). Medellín, 2003, Trabajo de grado. (Ingeniero Informático) Escuela de Ingenierías. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Pontificia Bolivariana. 7 DUQUE, A.F. Disminución del porcentaje de defectos en piezas fundidas por lost foam casting para una planta de producción de autopartes en hierro gris. Grupo de investigación sobre Nuevos Materiales, Línea de Nuevos metales. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2006.

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Buscando una explicación completa del proceso LFC,, se dará da una descripción de los pasos y conceptos básicos de ésta técnica, luego se dará paso a la descripción las bases teóricas usadas en la simulación del mismo. 1.1.1 Descripción del proceso. El proceso de Fundición con Espuma Perdida o Lost Foam Casting (LFC) se basa en la fabricación de modelos de espuma con la geometría de la pieza a fundir. Estos modelos se ensamblan al sistema de alimentación de metal para configurar un modelo denominado “Árbol”, el cual, dependiendo del tamaño tam de la a pieza a fabricar, permite fundir varias en una sola colada. Esta etapa puede ser vista en la figura 1. Figura 1. Ensamble de árbol de modelos en PS

Cortesía: COBRAL Ltda.

Dependiendo del metal a fundir, es una buena práctica recubrir el “Árbol” con una pintura refractaria a base de cerámicos como: Sílice, Mica y Oxido de aluminio. Para las fundiciones de hierro es estrictamente necesario la aplicación del recubrimiento refractario, en fundición metales livianos (aluminio, cobre, latón)) es posible obviar el paso de pintado de los modelos, éste es remplazado por una buena compactación de la arena alrededor del modelo. Para aplicar el recubrimiento, la pintura es disuelta en agua y aplicada a a los modelos odelos de espuma mediante aspersión, inmersión o pintado manual. manual Luego de pintar el modelo debe secarse en n un horno a temperaturas de 50 °C a 60°C durante un periodo superior a 2 horas (figura 2) Figura 2. Aplicación y secado del recubrimiento refractario a. Recubrimiento de modelo de espuma por inmersión y b. Secado en horno de convección forzada de los modelos de espuma

Cortesía: COBRAL Ltda.

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A diferencia de los procesos de fundición en arena existentes, el proceso LFC permite utilizar arena completamente seca y sin aglutinantes, debido a que el modelo de espuma no es retirado del recipiente de moldeo y da el sustento para que la arena no se desborone. Los moldes utilizados el proceso LFC son generalmente cilíndricos; en éstos es ubicado el modelo de espuma que es tapado con arena sin aglomerar. La arena es compactada y distribuida de manera uniforme por toda la geometría de las piezas moldeadas mediante vibración. La figura3 muestra el proceso de moldeo para el proceso LFC.8 Figura 3. Preparación del recipiente metálico y apisonado de la arena en el proceso LFC

Cortesía: COBRAL Ltda.

Durante el vaciado en el proceso de LFC deben garantizarse las temperaturas adecuadas para una adecuada degradación del modelo de espuma. Al vaciar el metal fundido, el modelo de espuma colapsa a una temperatura aproximada de 100ºC (212ºF), se fusiona alrededor de 165ºC (329ºF), se despolimeriza aproximadamente a 316ºC (601ºF) y se descompone alrededor de los 576ºC (1069ºF). El vaciado y los sistemas de entrada no solo deben evitar la entrada de aire y arena, sino también el acceso de residuo plástico del modelo. El residuo plástico capturado en la cavidad de la fundición puede causar porosidad en todo el metal, defectos por pliegues en el aluminio, defectos por carbono en el hierro y segregación de carbono en el acero9. La velocidad de vaciado varía según el tipo de aleación que se esté fundiendo. El vaciado para fundiciones de hierro debe ser muy rápido para evitar el desmoronamiento del molde, a diferencia del vaciado convencional, donde el metal líquido es vertido gradualmente en el molde. Cuando se realiza el vaciado del aluminio, la destrucción de la espuma no es tan rápida obligando que la velocidad de vertimiento sea más lenta que la usada en la práctica de fundición convencional10. 8

FERNÁNDEZ, G. P. ; MARTÍNEZ, H.V ; CRUZ, L. y DUQUE, A.F. Fundición a la Espuma Perdida, Cartilla de proceso. Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2006. 9 CONGRESO NACIONAL DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA MECÁNICA – CONEIM. (X: 2005: Medellín) Proceso Lost Foam Casting Para la obtención de autopartes. Medellín: CONEIM, 2005. 10 . FERNÁNDEZ, P. y otros. Optimización del procesamiento por lost foam casting (LFC) para la fabricación de autopartes. En: Seminario y mini foro iberoamericano de tecnología de materiales. (VII: 2005: La Habana) Subprograma VIII, OGI-Cuba (MINVEC). La Habana: CYTED. Ponencia. 27.

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Para el vaciado en LFC es importante tener en cuenta que no es una buena práctica interrumpir el vaciado, ya que el molde puede desboronarse o el gas, generado por la degradación del modelo de espuma, puede devolver el metal y generar un accidente. Estos efectos de un vaciado por etapas se explican viendo el metal a alta temperatura como una fuente de calor que incrementa la temperatura de la espuma muy rápidamente y hace que esta se reblandezca disminuyendo la resistencia del molde. 1.1.2 Generalidades y Beneficios LFC. La fabricación de piezas por LFC es un descubrimiento tecnológico que permitió simplificar el proceso de fundición, pues fue posible la eliminación de cajas de moldeo, machos y preparación de moldes, además los espesores en las piezas pueden ser controlados estrechamente. Lo más favorable del proceso es que ofrece múltiples oportunidades para consolidar partes complejas, reducir el mecanizado y minimizar las operaciones de ensamble. Asimismo, permite disminuir los desechos sólidos y las emisiones sólidas que pueden ser un costo de producción muy alto. El proceso LFC tiene mucho éxito desde hace unos 20 años en la producción de partes en aluminio para las industrias automotriz y marina. El proceso empezó a ser usado para la producción de piezas en hierro dúctil y gris a mediados de los 90s, las piezas fabricadas pueden ser: bloques de motor, accesorios de tubería, cigüeñales de motor, discos de freno, campanas de freno, etc. 1.1.3 Beneficios del proceso LFC11. El proceso LFC es utilizado mundialmente para la fabricación de piezas con requerimientos dimensionales y geométricos especiales con gran versatilidad en cuanto al diseño dado, ya que pueden fundirse piezas complejas que no podrían ser obtenidas mediante otras técnicas de fundición. Las piezas fundidas por la técnica de LFC resultan con un buen acabado superficial y tolerancias dimensionales muy estrechas, logrando una calidad insuperable por otras técnicas de fundición. Con los beneficios que presenta la técnica LFC, es fácil ver que en el futuro la mayor parte de las piezas fundidas serán fabricadas por LFC. Dentro de las ventajas están: •

Son posibles altas ratas de producción, por producción en serie

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Se consigue alta precisión dimensional.

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No hay necesidad de machos, cajas de moldeo y moldes. Esto permite tener diseños más complejos, controlar el espesor de pared más estrechamente, eliminar particiones de molde y defectos por mezcla de arena con el metal.

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GARLAND, Buddy. DOE-Industry Partnerships at Work: Lost Foam Casting Research. Presented to The Joint EUWP-EEWP. Program Manager Industrial Technologies, 2003.

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El mecanizado es eliminado al máximo y en algunos casos no es necesario, lo cual genera mayores ahorros en mano de obra y en herramientas. Sin embargo son necesarias limpiezas con chorro de arena o martillado con perdigones.

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La mayor parte de la arena es reutilizable, ya que no es necesaria la adición de aglutinantes y se utiliza una arena seca. Es un proceso limpio para el medio ambiente porque es posible implementar un sistema de recirculación de arena. Aunque hay que retirar restos de arena que quedaron mezclados con los productos de la combustión del modelo de espuma. La cantidad de arena remplazada es, generalmente, menor que en un método tradicional.

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Mayor costo de las herramientas y equipos hace que el proceso sea restringido para altos volúmenes de producción. La inversión inicial es alta debido a que son necesarios equipos especiales de fundición.

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Hay posibilidad de automatizar e implementar sistemas de control de producción lo que supone una disminución de costes de operación y defectos en modelos moldes y piezas.

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Como en todos los procesos que utilizan modelos no permanentes, se evita el problema del almacenaje de los moldes.

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No es necesaria la intervención del personal especializado en la producción de piezas por LFC producción.

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Posibilidad de incorporar insertos metálicos en la pieza de fundición

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Se pueden fundir metales ferrosos y no ferrosos en cualquier tamaño

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Mano de obra reducida en comparación a otras técnicas de fundición y bajo costo del material del modelo; hacen que la fundición a la espuma perdida sea una alternativa económica viable para muchas empresas que trabajan la fundición en arena tradicional.

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El proceso LFC en un proceso de moldeo limpio (los residuos finales del proceso son menores que en los procesos de fundición tradicional donde la contaminación de agua y los residuos de arena son mayores) que logra muy buenas tolerancias.

Con el proceso se pueden lograr fundiciones de excelente acabado superficial y extremada precisión dimensional, lográndose fundir piezas de tan solo una fracción de kilogramo hasta piezas de toneladas. Las tolerancias alcanzadas dependen del tamaño, complejidad y geometría de la parte a fundir. La tabla 1 hace una comparación entre los valores de tolerancias y rugosidad característicos para el proceso LFC y los valores característicos para otras técnicas de fundición. 27

Tabla 1. Tolerancias estimadas en un proceso de fundición a la espuma perdida comparadas con tolerancias alcanzadas con otros procesos de fundición Técnica de fundición

LFC

Dimensión (in) 1mm y m = 1.2 para e