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Pressocolati in aluminio con anime ceramiche a perdere: l’approccio
innovativo della simulazione
PiQ2 srl25123 Brescia | Via Branze, 45
T +39 030.6595058 | F +39 030.6595059
www.piq2.com
Andrea Panvini – PiQ2 s.r.l. Brescia, ITALY
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PROGETTO SAVE: Stampi con Anima per Veicoli Efficienti
Studio, sviluppo e industrializzazione di un processo innovativo di colatasotto pressione, con anime a perdere di tipo ceramico, per consentire laproduzione di getti di forma complessa, nonché strutturali, altrimentinon ottenibili utilizzando stampi tradizionali.
Project Team: Costamp, Italpresse, Lomopress, PiQ², Università di Brescia
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PERCHE’ L’UTILIZZO DI ANIME?• Maggiore libertà progettuale nel disegnare e calcolare getti
pressocolati per applicazioni strutturali
Impiego di profili chiusi: maggiore rigidezza torsionaleImpiego di profili chiusi: semplificazione della giunzione con estrusi
Libertà di forma: integrazione di funzioni e riduzione dei costiLibertà di forma: riduzione del peso dei getti
PROGETTO SAVE: Stampi con Anima per Veicoli Efficienti
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PERCHE’ L’UTILIZZO DELLA CERAMICA?
• Per le caratteristiche meccaniche: elevate e graduabili• Per la refrattarietà: resistenza ad elevata temperatura e a shock
termici• Per il basso costo: materiali di produzione comune• Per questioni ambientali: riciclabile e facilmente separabile.
PROGETTO SAVE: Stampi con Anima per Veicoli Efficienti
PATNER TECNICO:
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QUALI PROBLEMI SI PONGONO?
Il dimensionamento meccanico dell’anima: • E’ sottoposta a sollecitazioni meccaniche importanti sia durante il
riempimento che durante la fase di moltiplica.
Non si deve flettere significativamente a causa delle sollecitazioni:• Durante il riempimento potrebbe spostarsi deviando il flusso• Durante la solidificazione potrebbe muoversi modificando la
geometria della cavità.• Potrebbe fratturarsi a causa degli sbalzi di temperatura• Potrebbe deformarsi tanto da fratturarsi durante lo stampaggio.
PROGETTO SAVE: Stampi con Anima per Veicoli Efficienti
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QUALI PROBLEMI SI PONGONO?• La rimozione dell’anima (DECORING): deve essere effettuata con
metodi meccanici.• Difficoltà di accesso alla cavità• Spessori a volte ridotti• E’ necessario dimensionare l’anima tenendone conto delle sue
caratteristiche meccaniche e della necessità di rimozione.
Le caratteristiche meccaniche devono essere:
• Sufficientemente elevate da consentire all’anima di poter resisterealle sollecitazioni durante riempimento e solidificazione per nondeformarsi e non rompersi.
• Non tanto elevate da rendere difficoltosa la rimozione dell’anima.
PROGETTO SAVE: Stampi con Anima per Veicoli Efficienti
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Sviluppo di un software che permetta di:
• Simulare con elevata affidabilità il processo di pressofusione con
anime ceramiche.
• Calcolare le sollecitazioni cui è sottoposta l’anima durante il
processo.
• Simulare le deformazioni che l’anima subisce durante il processo.
• Simulare le alterazioni che il flusso di metallo eventualmente
subisce a seguito della deformazione dell’anima.
• Effettuare una verifica strutturale sull’anima per valutare le ipotesi
di cedimento ed ottimizzarne le prestazioni.
PROGETTO SAVE: Il ruolo di PiQ2
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Cosa succede durante il riempimento:Il materiale ceramico ha un comportamento molto differente rispetto
all’acciaio dello stampo:
Proprietà meccaniche:
• Modulo elastico: 10-20GPa contro 207GPa (1.2343)
• Carico di rottura a trazione: 10-20Mpa contro 1200MPa (1.2343)
• Allungamento a rottura: < 0,2% Materiale totalmente fragile
La deformazione durante il riempimento può essere
significativa
La deformazione può portare a rottura l’anima
facilmente.
PROGETTO SAVE: Il ruolo di PiQ2
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• Caratterizzazione meccanica dei materiali ceramici
Misurazione delle proprietà meccaniche a flessione e compressione deimateriali ceramici in funzione della temperatura di sinterizzazione.Definizione dei criteri di cedimento del materiale: Galileo-Rankine
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Pa]
Sintering Temperature [°C]
Flexural elastic modulus
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σf [M
Pa]
Sintering Temperature[°C]
Flexural strenght
PROGETTO SAVE: L’università degli Studi di Brescia
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Il fluido sollecita l’anima
L’anima si deforma e interagisce con il
flusso
Nuovo approccio della simulazione: interazione fluido
struttura (FSI) durante il riempimento dello stampo Calcolo strutturale degli stress e delle deformazioniaccoppiato con il moto del fluido:
PROGETTO SAVE: Il ruolo di PiQ2
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PROGETTO SAVE: Il ruolo di PiQ2
SOLVER STRUTTURALE ACCOPPIATO CON QUELLO
FLUIDO
REMESHER AUTOMATICO
ANALISI CEDIMENTO: materiale asimmetrico e
fragile
Nuovo approccio della simulazione: interazione fluido
struttura (FSI) durante il riempimento dello stampo Calcolo strutturale degli stress e delle deformazioniaccoppiato con il moto del fluido:
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Nuovo approccio della simulazione: interazione fluido
struttura (FSI)Calcolo strutturale degli stress e delle deformazioni accoppiatocon il moto del fluido:
PROGETTO SAVE: Il ruolo di PiQ2
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Nuovo approccio della simulazione: interazione fluido
struttura (FSI)Calcolo strutturale degli stress e delle deformazioni accoppiatocon il moto del fluido:
PROGETTO SAVE: Il ruolo di PiQ2
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Nuovo approccio della simulazione: interazione fluido
struttura (FSI)Calcolo strutturale degli stress e delle deformazioni accoppiatocon il moto del fluido:
PROGETTO SAVE: Il ruolo di PiQ2
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Collettore aspirazione acqua:Sostituzione di componente colato in conchiglia
Riduzione di spessori 2,4mm
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS
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Collettore aspirazione acqua: Simulazioni FSI
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + PIQ2
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Punti critici
Rankine crit. [Mpa]
Collettore aspirazione acqua: Simulazioni FSI
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + PIQ2
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Collettore aspirazione acqua: STAMPAGGIO
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + ITALPRESSE
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Collettore aspirazione acqua: STAMPAGGIO
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + ITALPRESSE
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Il decoring con acqua ad alta pressione
Collettore aspirazione acqua: DECORING
PROGETTO SAVE: ITALPRESSE
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PROGETTO SAVE: Nell’ambito del progetto sono sati sperimentati 3 componenti:LOMOPRESSCollettore aspirazione acqua
COSTAMPTraversa posteriore, gettostrutturale
LOMOPRESS-AUDI Nodo telaio Lamborghini, getto strutturale
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Traversa posteriore: re-ingegnerizzazione componente- A parità di peso rigidezza torsionale e flessionale più che raddoppiate
- Prima frequenza propria + 50%
PROGETTO SAVE: Costamp e UNIBS
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Co.Stamp, Traversa posteriore. Presviluppo stampo:
- sviluppo colata compatibile con entrambe le configurazioni del pezzo e con l’inserimento dell’anima ceramica
- sviluppo delle portate d’anima non iperstatiche
PROGETTO SAVE: Costamp
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PROGETTO SAVE: Costamp e PiQ2
Traversa posteriore: Simulazioni FSI
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PROGETTO SAVE: Costamp e PiQ2
Traversa posteriore: Simulazioni FSI
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Componente strutturale traversa posteriore:
- Produzione anime e stampaggio
PROGETTO SAVE: Costamp
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Componente strutturale traversa posteriore: - Decoring con acqua ad alta pressione
PROGETTO SAVE: Costamp e Italpresse
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Nodo strutturale telaio Lamborghini Huracàn
Courtesy AUDI AG
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + AUDI
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Nodo strutturale telaio Lamborghini Huracàn
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + AUDI
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Nodo strutturale telaio Lamborghini Huracàn
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + AUDI
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PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + PIQ2
Le simulazioni FSI
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PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + PIQ2
Le simulazioni FSI
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PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + AUDI + ITALPRESSE
Nodo telaio Lamborghini:Il decoring con acqua ad alta pressione
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Nodo telaio Lamborghini:Il decoring con acqua ad alta pressione
PROGETTO SAVE: LOMOPRESS + AUDI + ITALPRESSE
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Conclusioni:• E’ stata esplorata con successo, nell’ambito di un progetto di ricerca, la possibilità
di utilizzare simulazioni di interazione FLUIDO-STRUTTURA per la modellazione dei processi di fonderia.
• E’ stato possibile capire come si deformano le anime durante il riempimento per migliorarne il sistema di vincolo
• I risultati ottenuti hanno consentito di ottimizzare il disegno delle anime ceramiche al fine di ridurne caratteristiche meccaniche e migliorarne l’affidabilità
• I tre benchmark sono stati prodotti con successo, pur con le dovute difficoltà.
Sviluppi:• Si renderà necessario implementare criteri di resistenza agli shock termici.• Implementazione di un’interfaccia utente user friendly• Allargamento a tecnologie di fonderia tradizionali
PROGETTO SAVE: PIQ2
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PiQ2 srl
25123 Brescia | Via Branze, 45
T +39 030.6595058 | F +39 030.6595059
www.piq2.com
Grazie per l’attenzione…