La simulación del proceso de fundición es una técnica computacional utilizada en la industria y la metalurgia para modelar y analizar el proceso de fundición de metales . Esta tecnología permite a los ingenieros predecir y visualizar el flujo de metal fundido, los patrones de cristalización y los posibles defectos en la fundición antes del inicio del proceso de producción real . Al simular el 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 importancia crítica 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 las bases de la dinámica de fluidos , lo que llevó 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 comienzo de la simulación en la fundición se remonta a la década de 1950, cuando V. Pashkis utilizó ordenadores analógicos para predecir el movimiento del frente de cristalización. [5] El primer uso de ordenadores digitales para resolver problemas relacionados con la fundición lo llevó a cabo el Dr. K. Fursund en 1962, quien consideró la penetración de acero en un molde de arena. [6] Un trabajo pionero de JG 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 Aachen . 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 calientes en fundiciones de acero por E. Fehlner y PN Hansen en 1984. [11] A fines de la década de 1980, se desarrollaron las primeras capacidades para simular el llenado de moldes.
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 por predecir microestructuras y propiedades mecánicas con el trabajo pionero de I. Svensson y M. Wessen en Suecia. [12] [13]
La producción de piezas fundidas es uno de los procesos más complejos y multifacéticos de la metalurgia, que requiere un control minucioso y la comprensión de una multitud de fenómenos físicos y químicos. Para gestionar eficazmente este proceso y garantizar la alta calidad de los productos finales, es esencial tener una comprensión profunda de la interacción de los diversos parámetros de fundición. En este contexto, el modelado matemático de la fundición actúa como una herramienta científica de importancia crítica, que permite un análisis detallado y la optimización del proceso de fundición basándose en principios matemáticos. [14] [15] [16]
El modelado matemático de la fundición es un proceso complejo que involucra la formulación y solución de ecuaciones matemáticas que describen fenómenos físicos como conductividad térmica, dinámica de fluidos, transformaciones de fase , entre otros. Para resolver estas ecuaciones se aplican diversos métodos de análisis numérico, entre los que ocupan un lugar especial el método de elementos finitos (FEM), [17] el método de diferencias finitas (FDM) y el método de volúmenes finitos (FVM). Cada uno de estos métodos tiene sus características particulares y se aplica dependiendo de las tareas específicas de modelado y de los requerimientos de precisión y eficiencia en los cálculos.
Método de diferencias finitas (FDM): Este método se basa en ecuaciones diferenciales de transferencia de calor y masa, que se aproximan utilizando relaciones de diferencias finitas. [18] La ventaja del FDM es su simplicidad y la capacidad de simplificar la solución de problemas multidimensionales. Sin embargo, el método tiene limitaciones en el modelado de los límites de áreas complejas y funciona mal para piezas fundidas con paredes delgadas. [19]
Método de elementos finitos y método de volúmenes finitos (FVM): [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 grandes requisitos de memoria y recursos de tiempo.
Modificaciones del método FVM: estos métodos intentan combinar la simplicidad del método FDM con una buena aproximación de los límites del método FEM. Tienen el potencial de mejorar la aproximación de los límites entre diferentes materiales y fases. [ cita requerida ] [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 confiables y óptimos para la simulación de fundición. [22] A pesar de los mayores requisitos de recursos computacionales y la complejidad en la implementación en comparación con el método de diferencias finitas y el método de volumen finito, el FEM proporciona una alta precisión en los límites de modelado, geometrías complejas y campos de temperatura, lo que es de vital importancia para predecir defectos en fundiciones 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 las mentes de los 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 ordenador de procesos de fundición, responsable de operar sistemas CAE para procesos de fundición. Los cálculos son realizados por especialistas del departamento de acuerdo con sus instrucciones de trabajo , y la interacción con otros departamentos está regulada 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 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 fundición para fundiciones experimentales. Los resultados se monitorean y, si es necesario, las fundiciones se examinan en el laboratorio central de la fábrica . Si se detectan defectos, se realiza un ajuste de los parámetros del modelo y del proceso tecnológico en el departamento de CAE, después de lo cual la tecnología se prueba nuevamente en el taller. [ cita requerida ] [29]
Este ciclo se repite hasta obtener piezas fundidas adecuadas, después de lo cual la tecnología se considera desarrollada e implementada en la producción en masa . [30] [31]
En la industria de la fundición moderna, el software para la simulación de procesos de fundición se utiliza ampliamente. Entre la multitud de soluciones de software disponibles, cabe mencionar los productos más destacados y utilizados: Procast, MAGMASOFT y PoligonSoft.
ProCAST: un sistema de modelado de procesos de fundición que utiliza el método de elementos finitos, que proporciona la solución conjunta de problemas de temperatura, hidrodinámica y deformación , junto con capacidades metalúrgicas únicas, para todos los procesos de fundición 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 se puede utilizar 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 mediante el método de elementos finitos. Aplicable para modelar casi 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 calcular 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: sistema de modelado de procesos de fundición mediante el método de diferencias finitas. Permite analizar procesos térmicos, llenado de moldes, cristalización y predecir defectos en 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 piezas fundidas. [37]
La simulación del proceso de fundición refleja el conocimiento del usuario, que decide si el sistema de llenado ha dado un resultado aceptable. Las sugerencias de optimización deben provenir del operador. El problema principal es que todos los procesos ocurren simultáneamente y están interconectados: los cambios en un parámetro afectan a muchas características de calidad de la fundición. [38]
La optimización autónoma, que comenzó a fines 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. [39] Esto permite evaluar numerosos parámetros del proceso y su impacto en la estabilidad del proceso.
Es importante recordar que sólo se puede optimizar lo que se puede modelar. La optimización no reemplaza el conocimiento ni la experiencia del proceso. [40] El usuario de la simulación debe conocer los objetivos y los criterios de calidad necesarios para alcanzar dichos objetivos y formular preguntas específicas al programa para obtener soluciones cuantitativas. [41]
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