1

Gating Sistem danCasting Desain

Gating SystemsGating systems ialah jaringan pipa /saluran logamcair untuk memasuki cetakan (pasir, logam, dll) untuk mengisi seluruh rongga cetakan yang diikutioleh pembekuan logam cair untuk menghasilkanbentuk benda casting.

Hukum-hukum aliran fluida yang umum digunakanuntuk menghasilkan gating system yang optimal antara lain : Bernoulli’s Theorem, Law of Continuity, dan Momentum Effects (Reynold’s Number).

Gating Systems (Sand or gravity)

Tujuan utama pembuatan gating systems :

1. Logam cair dapat masuk ke cetakan melalui gating systems tanpa turbulensi dan penyerapan gas-gas yang minimum.

2. Logam cair dapat mengisi penuh rongga cetakandalam waktu yang sesingkat-singkatnya.

3. Mencegah/meminimalisasi premature solidification

4. Mengatur kecepatan alir logam cair yang akanmasuk ke mold cavity

5. Logam cair dapat masuk ke dalam cetakan dengangradient temperatur yang tercipta di mold surface dan di dalam logam cair yang selanjutnya akanmenghasilkan directional solidification menuju riser.

Cetakan PasirPouring Basin

Pouring basin ialah semacam corong yang ditempatkan di atas sprue pada bagian cope.Design yang baik dari pouring basin akan mengaturlaju masuknya logam cair ke dalam sprue, menghasilkan aliran logam cair yang lembut di dalamsprue dan mencegah turbulensi.Pouring basin harus diletakkan dekat dengan tepiflask agar cetakan bisa terisi penuh dengan cepatdengan menjaga mould tetap terisi penuh denganlogam cair selama proses pouring berlangsung.

2

Bernoulli’s Theorem

Bernoulli’s Theorem : at any point of full system, the sum of the potential energy, pressure energy, kinetic energy and frictionalenergy of flowing liquid metal equal to a constant.wZ + wPv + wV2/2g + 2F = C

W= berat logam cair (pound), Z = tinggi logam cair (inch), P = tekanan static logam cair (pound/inch2), v = volume spesifiklogam cair (inch3/pound), V = kecepatan (inch/s), F = energigesekan per satuan berat

Reynold NumberJika NR < 2000, aliran bersifat laminarJika 2000 < NR < 20000, terjadi mixing dan sedikit turbulensiJika NR > 20000, aliran bersifat sangat turbulent

S p r u eDesign dari sprue sangat krusial untukmencegah inisiasi aliran turbulent dalam gating systems.Aliran turbulent menyebabkanpeningkatan daerah yang tereksposterhadap udara luar yang selanjutnyaakan meningkatkan proses oksidasilogam cair dan menyebabkan erosipada cetakan pasir.

S p r u e

[a] Natural flow of a free falling liquid metal[b] Air aspiration induced by a liquid metal flow in a straight-sided sprue.[c] Liquid flow in a tapered sprue.

GATE dan CHOKE

Gate merupakansaluranterpendek yang menghubungkanantara runner dan cetakanChoke digunakan untukmembatasi lajualiran logam cair

Choke (Strainer Core)

Choke : suatu penghalang(restriction) yang dipasangdi dasar sprue / pada runner untuk mengontrol laju aliranlogam cair sebelum masukke dalam mold cavity. Choke yang ditempatkanbersama straight-sided sprue. [a] choke core. [b] runner choke

3

R u n n e r

Runner : suatu saluran yang membawa logam cair darisprue menuju ingate(s) yang selanjutnya akan masuk kedalam rongga cetakan.

Perlu digunakan runner extension (blind ends) ⇒logam cair yang pertama-tama masuk ke dalam gating system umumnya adalah yang paling terkontaminasi / rusak karena kontak dengan dinding cetakan danbereaksi dengan gas selama logam cair tersebut mengalir⇒ momentum effect digunakan untuk membawa logamcair yang rusak itu melewati ingates dan menuju runner extension ⇒ logam cair yang lebih bersih masuk keingates menuju mold cavity ⇒ dihasilkan benda casting yang lebih baik.

IngatesIngates ialah jalan / saluran yang menghubungkanantara runner dan rongga cetakanIngate harus dibuat menuju daerah yang tebal daribenda casting.Gates berbentuk persegi panjang adalah yang paling sering digunakan.Sangat disarankan untuk membentuk fillet dan flare gates antara benda casting dan ingates.Lokasi ingates harus dibuat sedemikian rupa ⇒meminimalisasi agitasi dan mencegah erosi cetakan⇒ mengorientasikan ingates pada arah natural darilogam cair.

IngatesMultiple gating lebih disukai ⇒ menurunkanpouring temperature ⇒ meningkatkan kualitasstruktur metalurgi dari benda casting dan akanmengurangi gradient temperatureDilakukan dengan cara menurunkan luaspenampang runner setelah melewati suatuingateDengan menurunkan luas penampang runner secara bertahap disepanjang panjang runner →kecepatan dan tekanan logam cair di keduaingates bisa disamakan.

I n g a t e s

RiserRiser adalah reservoir logam cair yang dihubungkan kebenda casting to menyediakan/mensupply logam cairtambahan yang dibutuhkan oleh benda casting selamaproses solidifikasi.Shrinkage yang terjadi selama solidifikasi menyebabkanterjadinya voids kecuali ada sejumlah logam cair tambahanyang diumpnkan (fed) ke tempat-tempat yang berpotensialmunculnya shrinkage.Riser didesign untuk membeku paling akhir dan menarikshrinkage voids keluar dari benda casting.Riser juga berfungsi sebagai pintu keluar bagi gas-gas dandross yang terperangkap di dalam logam cair.

RiserDipengaruhi oleh jenis alloy dan mode pembekuan, jenis medium cetakan dandesign casting.Mold dan metal variable juga berpengaruh terhadapjalannya progressive dandirectional solidification (lihat slide berikut)Directional and progressive solidification in a casting equipped with a riser.

4

Riser Feeding Distance

Ialah jarak yang bisa dicapai riser untuk mengkompensasishrinkage dari benda casting.Dirumuskan sebagai berikut :

nR = L (mm) / [dR(mm) + fD x D(mm)]dimana :

nR = jumlah RiserL = daerah jangkauan casting yang harus diumpankandR = Diamater RiserfD = Feeding Distance FactorD = Tebal tuangan paling tipis

Feeding Distance Relationship in Steel Plate

Section width greater than 3T, where T = thickness

C h i l l

In [d], a chill is applied to the isolated section to reduce its solidification time below of that the connection.In [e]. The solidification time of the connection is extended by applying an insulating or exothermic pad to the casting walls.

Effect of chills in increasing feeding range of risers

Procedure for determining a minimum riser size using shape factor method

Riser Configuration and Their Characteristic Values (M, Vr, D, H)

5

Perhitungan Ingate Gating Sistem

IA = Ingate area (Luas ingate)W = berat total (Al + riser + gating system)Ρ = massa jenis Al (2,7 gr/cm3)t = waktu tuang (detik)f = kecepatan (0,3)(hm)1/2 = tekanan metallostatic

Catatan :M(riser) : M(gating system) = 20% : 10% (dari massa Al produk)Perbandingan IA : Runner : Sprue1 : 4 : 4 (pressurize)hm = metallostatic pressure height, yaitu tekanan yang diakibatkan dari ketinggian suatu material fliuida.

hmftW

AI ××××=

ρ6,22

Ceramic Filter In Gating Design

Digunakan untuk meningkatkan kebersihan benda casting danmenurunkan biaya produksi / manufaktur.Menghilangkan slag, dross dan partikel non-metallic dari aliranlogam sebelum masuk ke dalam mold cavity.Umumnya casting alloy mengandung partikel2 yang bisamerusak physical properties dan appearance. (dari kiri-kanan : strainer core, extruded ceramic filter, ceramic foam filter, mica screen dan woven fabric screen)

Tipe Gating System1. The pressurized gating system

AG<ASwhere AG : total gate cross-sectional area of all

gatesAS : total sprue base cross-sectional area

which, if the flow rate is constant, implies:VG>VS

where V : the velocity of fluid

2. The unpressurized gating systemAS<AG , VS>VG

Most metals generally have unpressurized gating systems.

Tipe Gating SystemPerbedaan terletak pada penempatan posisichoke (flow-controlling restriction) dalam gating system.Pressurize gating system → choke terletakdiantara runner dan gateRatio luas permukaan sprue : runner : gates ialah 1:2:2, 1:2:4 dan 1:4:4.Unpressurize gating system → choke terletakdiantara sprue dan runnerRatio luas permukaan sprue : runner : gates ialah 4:8:3

Pressurize Gating SystemKeuntungan :1. ↓ ukuran dan berat benda casting ⇒ ↑ mold yield.2. Gating system selalu terisi penuh oleh logam cair3. Ketika memakai multiple gates, laju aliran logam cair di

tiap gate (dengan luas permukaan gates yang sama) ialah sama.

4. Jumlah logam cair yang tersisa di dalam gating system ↓⇒ casting yield ↑.

Kerugian:1. Turbulensi sering terjadi pada junctions dan corners2. Kecepatan logam cair ↑ saat masuk ke mold cavity ⇒

umumnya diikuti oleh gas entrapment, dross formation dan mold erosion.

Unpressurized Gating SystemKeuntungan :1. ↓ kecepatan logam cair di dalam gating system saat

memasuki mold cavity ⇒ aliran laminar ⇒ ↓ gas entrapment, dross formation dan mold erosion.

2. Luas permukaan runner dan ingate ↑ ⇒ kecepatan alirlogam cair ↓ ⇒ ↓ turbulensi dalam gating system dansemburan logam cair ke dalam mold cavity.

Kerugian :1. Luas permukaan runner dan ingates ↑ ⇒ ↓ casting yield.2. Sulit memperoleh kecepatan alir logam cair yang sama di

dalam tiap ingate jika menggunakan multiple gates3. Persyaratan design yang lebih ketat dan teliti diperlukan

untuk menjamin seluruh sistem tetap terisi logam cairselama proses pouring.

6

HPDC

High Pressure Die casting (HPDC) adalahsuatu proses casting dimana dilakukaninjeksi/filling logam cair dengan tekanan yang tinggi

Pengunaan tekanan tinggi berpengaruhterhadap beberapa faktor, antara lain :

Desain produkCacat-cacat yang terjadi

Perbandingan dengan prosescasting yang lain

Produk Umum proses Die Casting

Die casting “shot”OverflowsRunnerSprue

Overflow

Salah satu perbedaan dari suatu proses Die Casting adalah adanya over flow.

Over flow berguna sebagai penampung logamyang melalui cavityAdanya vent memungkinkan untuk udara keluardari dalam diesPenempatan over flow secara strategis dapatmemberikan heat/panas pada bagian dies yang dinginBerguna untuk mengeluarkan logam dari cetakan

Siklus pada HPDC Cold Chamber Konfigurasi Optimal

Cavity terisi secara sempurna oleh logamPembekuan cepat tanpa adanya cacatKeluar dengan mudah dari cetakan

7

Metal Flow pada Casting Cavity Gate Position pada Produk

Gating Position

Approach 1

Approach 2

Filling Pattern

Filling Pattern Filling Pattern

8

Faktor-Faktor Berpengaruh PadaDefects

Fill timeWall thicknessDie temperatureAlloy temperature

Flow distanceGate velocityAlloy typeVenting

Profil Temperatur Dies

Die Temperature

Penambahan overflow dapat mengurangicold flowFaktor yang mempengaruhi :

Die sprayLubrikan memiliki kandungan 99% air, jika wettingnyabaik, 50% panas die dapat dihilangkan.Long spray dapat berakibat over cooling dan berakibatpada porositas

Water atau oil flowCycle time

high pressurehigh speed

fill before solidification

air entrapment

small porosity

pressure

Air Trapped (Udara Terperangkap)

Internal Defects:Porosity-Trapped Gas

Untuk memecahkan masalah porositas, lihatkembali ke sumber penyebab hadirnya gas antaralain :Udara yang terperangkap (trapped air)

Akan selalu ada, mengingat turbulensi pada saat prosesfillingTurbulensi dapat dikurangi degan penanganan dantransportasi yang baik dari furnace ke sleeveMengatur slow speed pada sleeve

Optimalisasi waktu plungerPercepat laju plunger setelah melewati pour holeSetelah sleeve terisi, diteruskan dengan akselerasi yang baik menuju fast speed shot

Air Trap pada Shot Sleeve

9

Shot ProsesPada bagian shot proses die casting terbagi menjaditiga fase yaitu:• Fase I bertujuan untuk membawa logam cair ke posisi gate

dan mengeluarkan udara/gas dalam sleeve. Parameter yang mempengaruhi adalah slow slot velocity.

• Fase II bertujuan untuk mengisi cavity dan overflow sertamembawa udara/gas dan kotoran ke overflow. Parameter yang mempengaruhi adalah fast shot velocity.

• Fase III disebut juga fasa intensifikasi dimana pada fasedimulai saat cavity filling time selesai atau setelah shot end, yaitu saat plunger tip berhenti. Fase ini bertujuanuntuk memampatkan produk casting. Parameter yang berpengaruh adalah metal pressure dan intensification time.

Shot Sleeve Berpengaruh terhadap terperangkapnya udara(porosity)Filling harus sekurangnya 50% dari kapasitas chamber untuk meminimalisasi udara yang terperangkap

Pada aluminum casting, sleeve fill 25 – 30% ideal untuk benda dengan dinding tipis dan waktu filling yang lama. 25% filling minimum untuk menghindari terjadinyaporositasSleeve fill 55 - 65 % biasanya untuk benda casting yang cukup besar.

Filling Ratio

Casting Desain

Things to consider

Casting ProcessFluid FlowSolidificationGeometry or Shape

Fluid Flow

The hydraulic factors that affect the flow of molten metals are:

Bernoulli’s TheoremLaw of ContinuityMomentum EffectsFrictional ForcesReynolds’ Number

10

11

Binder Effect Inclusion Effect

12

SolidificationTo get the solidification process started, the liquid phase must be undercooled, cooled to a temperature below the freezing point.Once a nucleus forms, it can proceed to grow as fast as the latent heat of solidification and specific heat can be carried away. Controlled by:

thermal conductivitiesrelative massesshapes of the melt, the solid, and mold

Solidification AnalysisSolidification Time

Chvorinov rule

Feeding DistanceFeeder effectEnd effect

Temperature GradientNiyama criterion

Key phenomenon in solidification is transfer of heat through :

RadiationDirect contact with moldConduction through airConvection in the air gap between mold and metal

Heat Transfer

Temperature profile Mould InterfaceAir Gap (Mould Contact)

13

Heat TransferSteady state

xTAQ ∆

= κ

Q = the heat flow rate (W) κ = the thermal conductivity (W m-1 K-1) A = the cross section area x = the distance between the two ends ∆T = the difference in temperature between the two ends • Changing with time

Cooling Curves

Chvorinov's Rule

TST = total solidification time; V = volume of the casting; A = surface area of casting; n = exponent usually taken to have a value = 2; Cm is mold constant

n

m AVCTST

=

What Chvorinov's Rule Tells Us

A casting with a higher volume-to-surface area ratio cools and solidifies more slowly than one with a lower ratio

To feed molten metal to main cavity, TST for riser must greater than TST for main casting

Since riser and casting mold constants will be equal, design the riser to have a larger volume-to-area ratio so that the main casting solidifies first

This minimizes the effects of shrinkage

Control of Solidification

Inoculation or Grain Refining Practice - introduction of nuclei to encourage rapid solidification (reduce and minimize undercooling)Directional Solidification - control the growth rate and temperature gradient to manipulate growth interface.

Use of chills in castings produce finer grain structureSpecialized solidification techniques to create single crystals castings

Shrinkage

14

Shrinkage Pipe

Shrinkage Porosity

Use Clean Melting MetalInclusion can be the initiator of gasInclusion could cause non directional solidification

Uniform solidification in thin and thick sectionUse chiller for directional solidificationUse riser effectively

Shrinkage Remediation

Shrinkage Allowance

Patternmakers account for solidification shrinkage and thermal contraction by making mold cavity oversized Amount by which mold is made larger relative to final casting size is called pattern shrinkage allowanceCasting dimensions are expressed linearly, so allowances are applied accordingly

15

Directional SolidificationTo minimize damaging effects of shrinkage, it is desirable for regions of the casting most distant from the liquid metal supply to freeze first and for solidification to progress from these remote regions toward the riser(s)

Thus, molten metal is continually available from risers to prevent shrinkage voids The term directional solidification describes this aspect of freezing and methods by which it is controlled

Achieving Directional Solidification

Desired directional solidification is achieved using Chvorinov'sRule to design the casting itself, its orientation in the mold, and the riser system that feeds itLocate sections of the casting with lower V/A ratios away from riser, so freezing occurs first in these regions, and the liquid metal supply for the rest of the casting remains open Chills - internal or external heat sinks that cause rapid freezing in certain regions of the casting

Poor Directional Solidification Cacat yang umum pada Wheel

Cold shuts, dimensionsPorosity, blisters, soldering, erosion

DIE FILLING CONDITIONS- Cavity Fill time- Gate velocity during fill

Porosity, blisters, solderingDIE SPRAY- Dilution quantity, and spray pattern

Cold shuts, soldering, cracks, dimensions

DIE FACE TEMPERATUREAllMETAL TEMPERATUREAllMETAL ANALYSIS

RELATED DEFECTSPROCESS VARIABLE

Variable Process Variable Process untukuntuk Die Die CastingCasting

MaterialDies/ Cetakan

Pengotor

Cacat shrinkage dan porositas

Man

Metode/Metal Treatment

- Temperatur Melting/ Holding- Degassing (Ar/N bubbling)

Fluxing

Modifier

Ratio Ingot:Scrap

Desain, Pelumas

Fishbone Cacat Porositas danShrinkage

Temp, Coating

Kecepatan Tuang

Grain Refiner

Pelatihan

16

Casting Simulation Software

Pendahuluan

Penggunaan simulasi komputer sebagai alatbantu dalam simulasi casting dimulai padatahun 80anPada dasarnya perhitungan berdasarkanpada computasi FEM, FDM atau FVMFamiliar brand casting simulation sepertiMagmasoft, ProCAST, Stefan, SolidCast

Konsep Desain Casting Casting Modelling Approach

Simulasi casting pada dasarnya terbagi atasbeberapa konsep perhitungan model yaitu :

Perhitungan aliran/flowDigunakan untuk melihat fenomena aliran logamdalam mengisi casting cavity dengan memperhatikanfaktor – faktor antara lain kecepatan alir, berat jenismaterial. Navier-Stokes equationMetode Sola

Perhitungan free surface Digunakan untuk melihat kondisi surface boundary dan prediksi pergerakan aliranMetode VOF

Perhitungan transfer panasDigunakan untuk melihat fenomena pada saatpembekuan (solidification)

Langkah Dalam pengembangan suatu Produkcasting

Desain awal produkAssesmen kelayakan casting produkAssesmen quality yang dibutuhkanMembuat desain riser dan gating sistemPembuatan pattern/polaUji coba castingProposal perubahan untuk castability yang lebih baikPerubahan desain produk, riser dan gating sistemTest CastingProses produksiInspeksi akhirInspeksi oleh pihak costumer

Casting simulation

17

Example Casting Simulation (ProCast)

Prediksi porositasHasil test X-Ray

Casting simulation (Magmasoft)

Flowchart Casting Simulation Z cast3D Model

Pre Prosessing

Mesh Generation

Post Processing

Ingate Parameter-position

Parameter setting-Material selection-Mold

Solver

SolidificationFlow

•Buat Model 3D produkdengan mengunakandrawing software sepertiSolidwork, Catia, Autocad•Tambahkan gating sistem dan riser (denganmetode yg sama sepertidiatas)•Simpan file sebagaistereolithography file (STL)

SHTH CastMaterial : AC4CHPouring temperature : 700 CTotal mesh : 1,4 million (175x125x65)Gating ratio 1:1:2Choke diameter : 30 mmPouring time : 15 sec Casting weight : 127 kgCasting yield (final simulation): 65%

Model

Posisi shrinkage tanpa riser

Dimension :Height: 400 mm

Length: 1310 mm

Width :1030 mm

Case 1

Chill

Blind riser

18

Flow

10% filling rate

60% filling rate

20% filling rate

40% filling rate

Solidification time

Shrinkage

Shrinkage muncul pada daerah rib dan daerah dekat dengan in gate

Case 2 (change riser position)

Memindahkan posisi riser (lingkaran hitam) dan mengurangi ketebalanpada ingate (lingkaran merah)

19

Flow (animation)

10% filling rate 20% filling rate

40% filling rate 60% filling rate

Solidification time

Thin section, higher cooling rate

shrinkage

4 % solid rate Final solidification (89%)

Kemungkinan shringkage tetap muncul akan tetapi jumlahnya sudah berkurang. Posisi dari shringkage berada pada daerah yang cukup tipis, dan sudah terlihatdari tahap awal pembekuaan.

Contoh Parameter Pada MesinHPDC

Sleeve stroke (DS) : 940 mmSleeve diameter (AS) : 110 mmDistance low speed (DL) : 720 mm Low speed (SL) : 0,22 m/sDistance high speed (DH) : 190 mm High speed (SH) : 2,5 m/sTotal travel distance : 910 mm Biscuit thickness (DB) : 30 mm

Ds

DB DP DH DL

SH SL

Filling ratio

As plunger

20

Casting parameterMaterial : ADC 12Material Dies : SKD 61Temperatur pouring : 635oCTemperatur dies : 220oC

Low Pressure DC

Input ParameterCooling Channel

Cooling Channel

Mold(skd61)Mold(skd61)

SprueSprue bushbush(SCM440)(SCM440)

AirAir

Water coolingWater cooling((SprueSprue, hub), hub)

Air coolingAir cooling(Spoke, hub)(Spoke, hub)

CavityCavity

Hot spotHot spot

Before Before

defect

21

Chill & Ceramic WoolChill & Ceramic Wool

Direction of Solidification

Air

ImprovementImprovement

���

Final Desain

TC1

TC2

TC3

TC4

TC5

TC6

TC7

TC8

TC9

TC10

TC11

TC12

Temperature Temperature ProfileProfile

ThermoThermo --CouplesCouples

Temperature CycleTemperature Cycle