Développement de simulations de pièces structurelles moulées sous pression pour tours à chocs (technologie étrangère de moulage sous pression)

Le processus de simulation de coulée est devenu partie intégrante du processus de développement rapide. Dans ce cas, l’accent du développement est mis sur l’optimisation des composants et l’amélioration des processus. La technologie de simulation moderne peut fournir des structures à la fois fiables et traçables. Le premier processus de simulation doit normalement être lancé pendant la phase d’enquête. Bien que l’entreprise n’ait reçu aucune commande, elle devrait mener des recherches plus approfondies sur les composants en question. Les devis doivent être préparés de la manière la plus réaliste et la plus pratique possible afin d’éviter les surprises au début de la production et ainsi éviter des augmentations de coûts inutiles. Par conséquent, lors de l'élaboration d'un devis, bien qu'il soit impossible de déterminer avec quelle entreprise le client passera finalement une commande et que l'entreprise ait des exigences plus élevées, moins de temps et aucun prépaiement du tout, une conclusion réaliste et réalisable peut être tirée.

Simulation pendant la phase de développement

La simulation doit coûter le moins cher possible et, en même temps, les résultats doivent être soumis le plus rapidement possible et doivent refléter la réalité aussi précisément que possible. Malgré la pression temporelle, les résultats obtenus pour le remplissage du moule, le régime d'écoulement, le débit, les inclusions d'air, la porosité, la température du moule, etc. doivent être aussi précis et convaincants que possible. La simulation doit soutenir et améliorer les conclusions sur les coûts d’outillage ou de production afin de rendre les devis aussi précis que possible.

Ici, une structure moulée sous pression de tour de choc en alliage d'aluminium AlSi10MgMn est prise comme exemple pour illustrer. Il pèse 5,9 kg et a une épaisseur de paroi de 2,5 mm. L'assemblage est moulé sous vide et usiné CNC dans la zone des trous de montage. De plus, il est traité thermiquement pour augmenter sa résistance et sa ductilité. L'ensemble mesure environ 530 x 520 x 440 mm.

Dans le domaine de la carrosserie, les pièces structurelles moulées sous pression en aluminium ont toujours été en concurrence avec la tôle d'acier à haute résistance. Par rapport à l’acier, les pièces structurelles en aluminium offrent des avantages tels qu’une intégration fonctionnelle élevée, une précision dimensionnelle exceptionnelle et des capacités spéciales d’absorption d’énergie, qui rendent les composants en aluminium toujours très attractifs en termes de coût et de taux de croissance.

Conformément aux exigences mentionnées ci-dessus, une interface intuitive et facile à utiliser et une saisie rapide des paramètres spécifiés sont essentielles pour un système de simulation. La « convivialité » du système est un élément essentiel pour un traitement simple et rapide, car les utilisateurs peuvent ne pas travailler avec le système de simulation tous les jours. À cette fin, des fonctionnalités pertinentes ont été conçues dans le système Inspire Cast 2019 pour maintenir les dépenses aussi basses que possible.

Avant de commencer, il faut répondre à quelques questions de base (Figure 1) :

> Où doit être placé le texte (rouge) ?

> Où le port de débordement (vert) est-il requis ?

> Avez-vous besoin d'un noyau (bleu) ?

> Besoin d'une épingle à presser (orange) ?

> Où peut être placée l'unité de refroidissement ?

> Où le chauffage est-il nécessaire ?

Après les avoir compris, nous examinerons le concept de porte dans un deuxième exemple (de l'extérieur (Fig. 2, à gauche) et du centre (Fig. 2, à droite)). Les deux nécessitent des concepts d’outils différents, chacun entraînant un coût différent, afin de pouvoir être comparés. Les deux concepts peuvent être trouvés dans l’industrie et présentent tous deux de nombreux avantages et inconvénients, en fonction des besoins, des quantités, etc.

Pour le processus de simulation, l'ensemble de données CAO sera importé dans le système de simulation Inspire Cast. À cette fin, les traducteurs natifs Catia, NX, ProEngineer, Inventory et Solid Works ainsi que les traducteurs STEP et Parasolid neutres pour le système sont utilisés comme interfaces. Le système est compatible avec Parasolid-Kernel, qui est désormais largement utilisé dans l'industrie. Dans le système Inspire Cast, les emplacements des portes peuvent être définis avec précision en quelques clics après l'importation CAO du moulage. Ces caractéristiques sont conçues de telle manière que les éléments géométriques pertinents peuvent être facilement projetés et alignés avec des zones de section transversale définies en quelques minutes seulement. Par conséquent, il n’est pas nécessaire de concevoir de manière coûteuse le système de porte dans un système de CAO externe.

Étant donné que les données 3D passent souvent par plusieurs interfaces avant d'entrer dans le service informatique, un mécanisme de réglage interne garantit que les données de zone erronées ou les données de volume non internes sont corrigées si nécessaire. Le coût de préparation du modèle et des calculs nocturnes est négligeable. Des données CAO pures au format spécifié provenant du service client ou du service de développement sont une condition préalable à une importation fluide et à un calcul rapide. La mise en réseau dans le système lnspireCast selon la méthode FEM signifie que le contour de la pièce moulée peut être reproduit très précisément. De plus, le maillage FEM est automatiquement affiné dans des parois plus fines (par exemple, à l'intérieur des sections), permettant une précision améliorée.

Rapport du temps passé dans le processus de simulation des deux systèmes de portes (non structuré) :

Étape d'exportation/importation CAO/prasolide : 10 minutes

Réglage des paramètres : 20 minutes

Calcul de remplissage/charge moyenne : 4 heures

Calcul de solidification / charge moyenne : 1 heure

Durée totale (par processus de simulation) : ~5,5 heures

Évaluation des résultats : 4 heures

Temps total nécessaire pour tirer des conclusions : 9 heures

Résultats du remplissage du moule Section 1, Côté

Des turbulences typiques du processus de moulage sous pression peuvent être observées dans la zone de la porte au début du remplissage du moule. L'air s'accumule sur les côtés de la section, cet endroit doit donc être ventilé ultérieurement. Par rapport au système de grille situé à l'autre extrémité du module, une grande zone de ventilation est ensuite nécessaire (Figure 3). Comme le montre le processus ultérieur, une grande partie de la conception prévue de l'orifice d'échappement latéral peut être omise.

Résultats de solidification Section 1, Côté

Les calculs de solidification révèlent la porosité du dôme hélicoïdal, qui doit être traité avec un noyau ou, si nécessaire, avec une broche d'extrusion. La section ayant été solidifiée précédemment, l'optimisation ne peut pas être effectuée à l'étape 3 (Fig. 4).

Résultats du remplissage/solidification du moule Section 2, Centre

Les résultats sont présentés dans la figure 5. Le remplissage du moule à travers la porte centrale est uniforme. Comme le montre la figure, plusieurs emplacements d’aération doivent être conçus autour de l’ensemble (Figure 6). La solidification est presque identique à celle du système de déclenchement latéral. La solidification rapide de la section nous empêche d'exercer une quelconque influence sur la porosité du système de déclenchement central.

Comparaison de la ventilation entre la porte latérale 1 et la porte centrale 2

Une comparaison des inclusions d'air provoquées par la turbulence montre que la concentration attendue se produit dans le système de déclenchement latéral par rapport à la section transversale. Le système de vide doit ensuite y être installé (Figure 7).

Comparaison des résultats

Le tableau 1 répertorie la comparaison pour les deux sections. Dans ce cas, selon la tendance de développement actuelle, le système de portes latérales est le meilleur choix. Comme mentionné ci-dessus, les deux options peuvent être trouvées dans la pratique, où les conceptions varient en fonction de la géométrie des composants ou de facteurs de coût tels que le volume ou la productivité de la machine.

Préparation de la production

Pendant la phase de développement, le processus de simulation peut être interrompu en raison d'une décision finale. L’étape suivante après que le client a passé une commande est la préparation de la production. Pour ce faire, vérifiez d’abord les caractéristiques d’écoulement du système de vanne latérale. Dans ce cas, nous utiliserons une coque simple et comparerons différentes géométries de section transversale (Figure 8). Sont considérées ici deux sections tangentielles avec des angles d'entrée différents et deux sections sectorielles avec des sections transversales d'entrée différentes. La section tangentielle ne semble pas fonctionner du tout pour notre shell. Immédiatement derrière l'entrée, une zone de pression négative du piston est créée, avec des turbulences et une augmentation de l'air entrant dans l'ensemble. Un écoulement turbulent est toujours visible dans la plage d'élargissement latéral (option 3) même dans le secteur de l'entrée unilatérale (par exemple, du côté éjecteur de la matrice). La structure la mieux déformée utilise une entrée circulaire à l'extrémité de la porte du ventilateur, où la turbulence n'est plus visible pendant la simulation (scénario 4) (Figure 9). Les simulations démontrent l'avantage de la section sectorielle, c'est-à-dire que l'entrée d'air dans la pièce moulée sous pression est considérablement réduite.

Les inclusions d’air causées par les turbulences ne sont certainement pas la seule mesure du succès du remplissage du moule. Cependant, dans un processus de simulation relativement peu coûteux, chaque critère peut être étudié plus précisément et optimisé pour réduire progressivement les sources d’erreur. Aujourd’hui, nos modèles de production ajouteront des systèmes de vannes réalistes et des systèmes d’échappement fonctionnels (Figure 10). De plus, des facteurs tels que la géométrie du moule ou de la pièce et les circuits de chaleur/refroidissement doivent également être pris en compte lors de la simulation dans des conditions de production. Nous ajustons le modèle en conséquence et le définissons dans le système Inspire Cast.

Modèle de production des résultats de remplissage des moules

Notre première considération est le remplissage du moule (Fig. 11) comme résultat du calcul. Le remplissage de la matrice est effectué de manière spécifiée latéralement avec plusieurs sections sectorielles. Comme prévu, l’air présent dans le système s’accumulera dans la zone d’échappement (Figure 12).

Solidification des modèles de production

Une porosité défavorable dans la zone du trou de montage est une situation inévitable, comme confirmé lors du développement et lors des simulations précédentes. Le système de section transversale s'était solidifié après 1,0 seconde, de sorte qu'aucun remplissage supplémentaire de la zone critique n'était possible (Figure 13). Ainsi, à l'intérieur du dôme, seul le noyau ou l'extrudeuse peut être en mesure d'obtenir l'effet souhaité.

Influence du dispositif de refroidissement lors de la simulation

L'ensemble de l'installation de refroidissement a été simulé pendant la simulation. L’effet des dispositifs de refroidissement devrait être étudié à l’échelle régionale. Si la porosité doit être influencée par un refroidissement ciblé, le refroidissement dans la zone des trous de montage doit être modifié et calculé. La température a été calculée 5 secondes après la fin du remplissage du moule. Lors du calcul de la température, la distance entre un temps et le contour est de 25 mm et la distance entre un temps est de 10 mm. La différence de température calculée n'est que de 2°C. D’autres effets tels que le temps de pulvérisation ou de cycle sont exclus en premier. On peut donc constater que l’effet provoqué par la solidification rapide de la coque latérale moulée sous pression devrait être faible ici. Pour cela, pensez à utiliser des broches de compression.

En conclusion

Des résultats de simulation convaincants pour le remplissage et la solidification des moules peuvent être calculés à une fraction du coût au début du processus de développement de la coulée. Les résultats sont disponibles en quelques heures avec des dépenses négligeables en termes de saisie de données et d’effort de calcul. Les données CAO sont une condition préalable à ce travail. La formulation de cotations ou d’estimations relatives aux activités de production prévues peut être soutenue de manière décisive et reflétée plus précisément. Depuis quelque temps déjà, Inspire Cast fournit un outil facile à utiliser et très convaincant.

Pour la production, des simulations plus approfondies sont nécessaires, les techniques de coulée typiques doivent être ajustées (telles que les glissières de coulée, la conception de la section transversale et du débordement, etc.) et les conditions thermiques de l'outil sont optimisées pour garantir que le processus de simulation ne pose aucun problème et sont encore optimisées. Des fonctions prédéfinies sont déjà disponibles dans le système Inspire Cast. Les retours des entreprises industrielles montrent un degré élevé de concordance entre les résultats de simulation et les composants réels. Sur cette base, le couplage thermomécanique d'Inspire Cast sera bientôt lancé, de sorte que des situations plus pratiques seront prises en compte.