Presentación de FLOW-3D en su aplicación a la simulación de procesos de fundición metálica. Permite simular tanto el llenado como la solidificación, defectología y optimización del proceso.

1. Software de
simulación de
fundición
Simulaciones y Proyectos, SL
www.simulacionesyproyectos.com

2. Indice de contenidos
• Presentación de Flow Science Inc y Simulaciones y Proyectos SL
• ¿Qué es FLOW-3D ®?. Ventajas competitivas
• Principios generales de funcionamiento de FLOW-3D ®
– Fundamentos
– El mallado en FLOW-3D ®
– La superficie libre en FLOW-3D ®
• Capacidades de modelado generales. Modelos físicos.
• Capacidades de modelado específicas para Fundición
• Listado de usuarios de FLOW-3D ® en el sector de la fundición.

3. Simulaciones y Proyectos, SL.
Empresa distribuidora del software
 Distribución y Soporte Técnico en España y Portugal de los
productos de Flow Science Inc desde el año 2006.
 Más de 10 años de experiencia en simulaciones de fluidos-
térmicas en general y para fundición.
 Ventajas competitivas
• Cercanía con el Cliente – Modelo Colaborativo.
• Soporte técnico rápido y eficaz, directo.
• Partner tecnológico.
• Económico

4. Flow Science.
Empresa desarrolladora del software
• Fundada en 1980, por Dr. Tony Hirt que
desarrolló el método Volume of Fluid (VOF)
para cálculo de superficie libre en el
Laboratorio Nacional de Los Alamos
• La primera licencia commercial de FLOW-3D
se lanzo en 1985
• Desarrolla y comercializa FLOW-3D, un
software que calcula de forma precisa
multitud de flujos en condiciones físicas
diversas.
• Provee también servicios de ingeniería en el
campo del CFD.
• Ofrece HPC (High Performance Computing)
para aplicaciones de clientes.
Vista de Los Alamos National Labs
Headquarters en Santa Fe, NM, USA

5. Flow Science.
Empresa desarrolladora del software
USA*
Australia
Canada
China
Finland
Germany
Greece
India
Italy
Japan
Korea
Malaysia
Norway
Poland
Russia
Singapore
Spain
Taiwan
Thailand
Turkey
* Oficinas de Flow Science

6. GENERAL
• FLOW-3D ® es un software CFD de propósito general válido para
cualquier tipo de fluido y regimen.
• Lider mundial en simulación de fluidos en Superficie Libre
• FLOW-3D ® incluye en su interfaz GUI todas las opciones necesarias
para simular Procesos de Fundición de forma completa.
¿Que es FLOW-3D ®? -Ventajas
VENTAJAS COMPETITIVAS
• Se comercializa sin módulos adicionales. “Todo incluido”
• Funcionamiento en red como standard. Con 1 licencia del solver se
tienen 999 licencias de pre y post procesador.
• Mientras corre el solver pueden verse resultados, preparar nuevos
modelos o visualizar resultados existentes.
• Versión SMP (Shared Memory Processing)
• Facilmente customizable por el usuario a través de rutinas FORTRAN.

7. • Método de Diferencias Finitas- Staggered Finite Difference Method
• Los escalares se registran en el centro de cada celda.
• Los vectores se registran en las caras de las celdas.
• Numericamente muy estable y fácil de implementar
¿Como representar una geometría compleja en una malla de elementos
paralelepipédicos.?
x
y
z
Centro de celda:
• Presiones
• Temperaturas
• Escalares
• Fuerzas
Caras de celda
• Velocidades
• Esfuerzos
Principios generales de funcionamiento
Fundamentos

8. El mallado en un único bloque no es eficiente en estos casos
Principios generales de funcionamiento
Mallas estructuradas con bloques simples

9. Los bloques enlazados mallan
unicamente las zonas de interés
Los bloques anidados mejoran la
resolución del problema en zonas
específicas.
Principios generales de
funcionamiento Mallas estructuradas con
bloques Múltiples

10. • Que es Superficie Libre?
– Existe interfase Liquido/Gas.
– Donde los gradientes de presión
en un gas son pequeños.
– Donde el ratio de densidad entre fluidos es
grande.
• Si no se reproduce fielmente la
superficie libre en el software de
fundición, el resto de resultados
PUEDEN NO SER FIABLES.
Principios generales de funcionamiento
La superficie libre

11. F = Fracción de Fluido
• F = 0 (Aire)
• F = 1 (Líquido)
• F = 0 a 1 (Zona de superficie
libre)
El método requiere además una
variable para identificar la
superficie libre
Principios generales de funcionamiento
La superficie libre – Metodo VOF
El método es:
• Costoso computacionalmente porque ha de calcular la
dinámica de lo fluidos en el Aire y en el Líquido.
• Existe mucha difusión entre las fases liquido-aire.
• F es una variable contínua

12. – Es una implementación del método
VOF realizada en FLOW-3D.
– Calcula el movimiento del fluido a
las celdas vecinas basado en la
orientación del fluido en el interior
de la celda.
– No calcula la dinámica en la region
vacía (void), sino que usa la
presión y la velocidad como
condiciones de contorno.
– Existen numerosas validaciones.
– Tanto VOF como TruVOF® están
disponibles en FLOW-3D
Fluid
Void
La distribución de la función VOF
determina la orientación de la interfase
Principios generales de funcionamiento
La superficie libre – Metodo TruVOF ® de FLOW-3D

13. • Arrastre y erosión / deposición
• Entrada de aire
• Cavitación
• Adhesión de pared, rugosidad
superficial
• Solidificación y fundido
• Stress elástico
• Masa/momento/Fuentes de Energía
• Flujo laminar y turbulento
• Viscosidad dependiente de
esfuerzo cortante, densidad y
temperatura
• Viscosidad thixotrópica
• Tensión superficial
• Efectos de termocapilaridad
• Burbujas de vapor y gas
• Campos eléctricos
• Fenómenos dieléctricos
• Electroósmosis
• Partículas electrostáticas
• Efectos electro-mecánicos
• Calentamiento Joule
• Difusión molecular y turbulenta
• Convección natural y forzada
• Conducción fluido-sólido
Capacidades de modelado generales
Modelos físicos

14. Capacidades de modelado generales
Modelos físicos (cont)
• Transferencia de calor
• Cambio de fase
• Multifase
• Medios porosos saturados e
insaturados
• Secado de humedad
• Core Gas (generación de gas por
desconposición de aglutinante)
• Reacciones químicas
• Escalares
• Mecánica del sólido
Acoplamiento Fluido/solido
Colisiones solido/solido
Interacción de partícula

15. Capacidades de modelado
Específicas de Fundición
• Simulación de elementos
móviles
 Acoplamiento fluido-estructura
• Modelado en moldes y machos.
 Formación de machos por
soplado de arena.
 Secado de los machos
 Generación de gas en los
machos por descomposición de
los aglomerantes.
• Materiales y Setup
 Ciclado térmico del molde
 Materiales dependientes de T
 Materiales en estado semi-sólido
 Enfriadores, calentadores.
• Estress térmico y
deformaciones
• Llenado:
 Duración del llenado
 Entrada de aire
 Defectos superficiales: óxidos,
restos de cera.
 Potencial de cavitación
 Venteos y “back pressure”
• Solidificación:
 Duración del llenado
 Rechupes superficiales
 Rechupes internos
 Microporosidad
 Segregación durante la
solidificación
 Estrés térmico y deformaciones
 Convección natural

16. Vertido por gravedad Molde perdido
Otros procesos de fundido:
• Fundición por gravedad
• Fundido a alta presión (HPDC)
• Fundido a baja presión
• Vertido por inclinación
• Fundición a presión (squeeze casting)
• Fundición en continuo
• Fundición por centrifugado
• Fundicion a la cera - Investment Casting
• Procesado de metal semi-solido (SSM)
• Thixocasting - Rheocasting
Vertido por inclinacion
Centrifugado Semi-solido
Capacidades de modelado
Alta Presión HPDC

17. Preventing Casting Defects – Entrada de aire
FLOW-3D captura los defectos en forma de
defectos superficiales debido a la oxidación,
residuo de espuma y entrada de aire.
Se muestra un bloque de motor en el cual los residuos de la
espuma permanecen atrapados en el interior de la pieza.
Cortesía GM Powertrain
Capacidades de modelado

18. Rechupe y Microporosidad
FLOW-3D modela el rechupe causado por
cambios volumétricos en la solidificación
que hace que el metal líquido reemplace el
volumen contraído y la microporosidad.
Albany-Chicago Co. empleó el modelo demicroporosidad
exitosamente para reducir los problemas de
microporosidad. Las simulaciones mostradas fueron
realizadas para la misma pieza con diferentes moldes.
FLOW-3D predijo de forma precisa tanto la localización y
la cantidad de microporosidad en ambas piezas. Work and images courtesy of Albany-Chicago Co.
Capacidades de modelado

19. Aivio del Estrés Térmico
Durante la solidificación del metal
fundido, se generan tensiones debidas
a contracciones no satisfechas e
irregularidades de forma. Este modelo
permite a los ingenieros aliviar dichos
estreses.
Los ejemplos mostrados son relativos a una
simulación de un motor V-6. La primera imagen
colorea la magnitud del desplazamiento. La
segunda imagen es un corte de la misma pieza
mostrando estreses de Von Misses.
Capacidades de modelado

20. Solidificación de Fundición
Capacidades de modelado
Modela la reacción eutectica en la que se forman
las 3 fases:
- Austenitica (o fase Gamma)
- carbide (o Cementita, Fe3C)
- Grafito, (C)
Factores que afectan el enfriamiento:
- Contenido de Carbono inicial (C) y Silicio (Si)
- Velocidad de enfriamiento.
-Coeficiente empírico: 0 ≤ Xeut ≤ 1
Factores que afectan el enfriamiento:
“Chill”, or carbidic, zone of white iron forms
in the region with a high freezing rate
12 mm
ASTM chill-wedge testASTM chill-wedge test
Un-inoculated iron, Χeut=0.4
Inoculated iron, Χeut=0.24
3+Fe C

21. Solidificación de Fundición
Capacidades de modelado
Red – carbide
Blue - graphite
time
Metal volume
1250 C
1400 C
1550 C
Phase distributionPhase distribution Influence of superheat on total volume changeInfluence of superheat on total volume change

22. Estudio de machos de arena – Disparo – Secado- Core Gas
Capacidades de modelado
•Los machos de arene se realizan
mediante disparo de arena en un molde.
•Debe evacuarse el aire y la arena debe
alcanzar una densidad de
compactación requerida
•El modelo Sand Core Blowing describe la
mezcla de aire-arena con la aproximación
de 1 fluido, 2 fases. El modelo incluye:
Variaciones de la densidad de la mezcla debido a
gradientes de presión.
Viscosidad no-Newtoniana como función del
esfuerzo cortante
Grado de compactación de la arena
Burbuja adiabática y venteos para regiones con
aire puro
sand settling, jamming and packing
Data from Lefebvre et al, 2004
Core Filling
Color – velocity magnitude
Air vents

23. FLOW-3D permite simular el
contenido de humedad
residual del macho de arena.
Gracias al Moisture Model se
pueden predecir defectos en el
tiempo de secado
Estudio de machos de arena – Disparo – Secado - Core Gas
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de BMW

24. Los machos de arena, durante el
vertido del metal y posterior
solidificación pueden degradar los
aglutinantes de la arena, generar
gas y migrar a la pieza.
FLOW-3D permite a los fundidores
monitorizar la degradación de los
aglutinantes en los machos y
optimizar las estrategias de venteo
de los mismos. El modelo Core
Gas predice las presiones del gas
dentro del macho, localizaciones
de la superficie del gas migrado al
metal y campos de flujo del gas.
Evolution of the binder
degradation zone. A
small 2 x 1.12 inches in
diameter PUCB bound
core is held in an
insulated steel holder
and immersed in iron.
Calibration data for PUCB
binder and fit with the
FLOW-3D core gas model.
The real data can be
captured to allow
simulations of PUCB
degradation in more
complex geometries and
under different
immersion/flow conditions.
Estudio de machos de arena – Disparo – Secado - Core Gas
Capacidades de modelado

25. FLOW-3D tiene la capacidad de
modelización de sólidos en movimiento
con hasta 6 grados de libertad. Esto
permite al usuario simular cucharas
vertiendo o pistones en movimiento.
Image courtesy of General Motors Powertrain.
Capacidades de modelado
Se muestra aquí un motor 3.6L V6 empleado en
el Cadillac CTS y el Saturn Aura XR. Se trata de
una fundición con aleación A319 usando un
proceso de molde semipermanente. Se
emplaron los modelos Defectos Superficiales y
Entrada de Aire para optimizar el diseño del vaso
y la cuchara.
Simulación de Partes en movimiento

26. Ejemplo cortesía de PSA Group
Experimental results :
Area of air entrainment
Simulation results :
- Position of thermocouples
- Position of metal detector
Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado

27. Filling
Cooling in the mold
Low rate of flow
High rate of flow
Cooling by air « extraction of shell mold »
Time (s)
t0 t1 t2 t3 t4
Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado

28. Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Temperatura del molde después del ciclado :
Temperatura del molde antes del ciclado :
Sección :
Molde (T1)
Macho de arenaPieza
Macho de arena (T2)
Pieza(T3)
Ejemplo cortesía de PSA Group

29. Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de PSA Group
Results simulation with casting pit :
w1
w2
Time (s)
Angular velocity
(rad/s)
12 15
Results simulation without casting pit :

30. Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de PSA Group
Thermocouple 16
Thermocouple 6
B-B
Thermocouple 1
A-A
F-F
-- Initial simulation
-- New HTC simulation
-- Test 1
-- Test 2

31. Simulación de Filtros
Empleados para eliminar
inclusiones en el metal y
también para reducir la
velocidad de entrada.
Modelo Porous Media
El modelo Porous Media de
FLOW-3D’s incluye pérdidas
de carga lineales y
cuadráticas, transferencia de
calor al filtro, porosidad
dirccional y efectos de
capilaridad. FLOW-3D's
dispone de una librería de
filtros preparados para su uso
directo en simulación.
Simulación de un filtro de fundición. FLOW-
3D puede predecir los flujos de
microporosidad dentro del filtro.
Image courtesy Simtech Systems.
Capacidades de modelado

32. A la izquierda se muestran una radiografía de
la fundición en donde el área oscura es el
aluminio entrando en la cavidad.
Stage 1
Stage 2
Stage 3
Validaciones

33. ¿Más información?
www.simulacionesyproyectos.com
central@simulacionesyproyectos.com
Teléfono: (+34) 918034481