Cara Menggunakan Simulasi Numerik untuk Mencegah Cacat pada Die Casting Besar: 5 Pelajaran Berharga dari HPDC Otomotif

Ringannya bobot telah mendorong produsen mobil untuk mengganti rakitan baja las dengan cetakan aluminium berdinding tipis dan berukuran besar.Pintu otomotif, baki baterai, bagian bawah bodi belakang, dan komponen struktural serupa kini menggabungkan geometri yang kompleks, panjang aliran yang panjang, dan persyaratan mekanis yang ketat.

Namun, ketika ketebalan dinding turun menjadi 2–3 mm dan pengecoran membentang lebih dari satu meter, pengecoran mati tekanan tinggi (HPDC) menjadi jauh lebih sensitif terhadap profil tembakan, kontrol termal, dan tekanan intensifikasi. Porositas, cold shut, dan rongga penyusutan dapat dengan cepat menjadi penghalang.

Artikel ini merangkum kasus penelitian tentang simulasi die casting tekanan tinggi dari pintu otomotif aluminium berdinding tipis yang kompleks, dengan fokus pada:

• Cara memodelkan pengisian dan pemadatan untuk pengecoran yang begitu besar
• Bagaimana profil tembakan lambat yang berbeda memengaruhi terperangkapnya udara dan distribusi suhu
• Bagaimana tekanan intensifikasi mempengaruhi porositas penyusutan
• Bagaimana hasil simulasi cocok dengan uji coba produksi 6800 ton

Pelajaran praktisnya dapat langsung diaplikasikan kepada insinyur yang bekerja pada komponen HPDC struktural berukuran besar.

1. Tinjauan Kasus: Pengecoran Pintu Otomotif Dinding Tipis

Penelitian ini menggunakan panel bagian dalam pintu otomotif aluminium sebagai bagian referensi:

• bahan: Paduan aluminium AlSi10MnMg
• Ukuran pengecoran: approx. 1135 × 665 × 60 mm
• Ketebalan dinding utama: sekitar 2.5 mm, dengan wilayah lokal hingga 4 mm
• Berat bersih: tentang 5.56 kg

Bahan	Densitas (g / cm³)	Suhu Liquidus (°C)	Suhu Solidus (°C)
AlSi10MnMg	2.5	594	540
H13	7.367	1458	1375

Cetakannya terbuat dari baja perkakas kerja panas H13. Sifat termal untuk paduan dan baja diperoleh melalui Thermo-Calc untuk dimasukkan ke dalam simulasi.

Sistem gerbang dan luapan

Karena pintu pada dasarnya adalah cangkang tipis berdinding besar dan tidak beraturan:

• The ingate terletak di dekat pusat pengecoran, untuk menjaga panjang aliran tetap seimbang.
• A gerbang cincin berbentuk bintang mendistribusikan logam cair secara radial, membantu aliran depan mencapai sudut-sudut yang jauh pada waktu yang sama.
• Ketebalan gerbang disesuaikan dengan ketebalan dinding lokal di area gerbang untuk menghindari semburan dan menjaga pengisian tetap stabil.
• Saluran luapan dan ventilasi ditempatkan di tepi dan sudut luar untuk mengeluarkan udara dan menangkap sampah.

Kontrol termal di dalam cetakan

Untuk menstabilkan suhu cetakan dan mengurangi kelelahan termal, cetakan tersebut dilengkapi dengan:

• Biasa saluran air pendingin
• Kontrol suhu vakum di area kritis
• Kontrol termal lokal di sekitar dudukan silinder oli

Tujuannya adalah untuk menjaga rongga dalam keseimbangan termal yang dinamis: cukup panas untuk pengisian lengkap dan kualitas permukaan yang baik, tetapi cukup dingin untuk mempertahankan waktu siklus dan umur cetakan.

2. Model Simulasi Pengecoran Die Tekanan Tinggi Multi-Fisika

Untuk memahami keduanya terperangkapnya udara selama pengisian dan cacat penyusutan selama pemadatan, tim peneliti menggunakan model multi-fisika pada platform HPDC CAE berbasis cloud.

Elemen kunci dari simulasi die casting tekanan tinggi:

1. Bidang aliran (tahap pengisian)
   • A Metode Boltzmann Kisi (LBM) digunakan untuk menggambarkan aliran logam cair dalam selongsong tembakan dan sistem gerbang.
   • A VOF (Volume Fluida) model melacak antarmuka antara logam cair dan udara, sehingga memungkinkan untuk memprediksi di mana gas mungkin terperangkap di selongsong atau rongga.
2. Suhu dan pemadatan
   • Persamaan energi dengan model panas laten pendinginan dan solidifikasi pada pengecoran dan cetakan.
   • Formulasi tipe Stefan menggambarkan pergerakan antarmuka padat–cair.
   • Model fraksi padat menghubungkan suhu dengan fraksi padat/cair lokal.
3. Transfer panas antarmuka logam/die 4D
   • A Model perpindahan panas antarmuka “4D” menangkap bagaimana koefisien perpindahan panas antara logam dan cetakan berkembang dengan:
     • waktu setelah benturan logam dan
     • lokasi pada permukaan cetakan.
   • Koefisien diperbarui secara dinamis setiap langkah waktu untuk mereproduksi kondisi kontak nyata secara lebih akurat daripada nilai konstan.
4. Kondisi mesh dan proses
   • Ukuran elemen rongga minimum: sekitar 0.65 mm; jumlah sel mesh ~190 juta, menangkap dinding tipis dan titik panas lokal.
   • Suhu leleh: 660 ° C
   • Pemanasan awal: 200 ° C
   • Suhu sekitar: 20 ° C

Dengan kerangka kerja ini, tim dapat menguji secara virtual berbagai profil bidikan lambat dan tekanan intensifikasi sebelum melakukan uji coba yang mahal.

3. Membandingkan Tiga Profil Slow-Shot di Shot Sleeve

Pertanyaan pertama adalah: Bagaimana profil tembakan lambat pada selongsong tembakan mempengaruhi terperangkapnya udara dan keseragaman suhu?

Tiga strategi tembakan lambat dievaluasi; semua beralih ke fase kecepatan tinggi 4.6 m / dtk dekat rongga:

• Skema A: kecepatan lambat konstan 0.2 m/s → 4.6 m/s
• Skema B: kecepatan lambat konstan 0.5 m/s → 4.6 m/s
• Skema C: percepatan seragam dari 0 ke 1.23 m / dtk, kemudian 4.6 m / dtk (kecepatan rendah kritis ditentukan oleh simulasi)

3.1 Perilaku aliran di selongsong tembakan

Simulasi aliran logam di selongsong peluru mengungkapkan:

• Skema A (0.2 m/s)
  • Logam bergerak dengan bagian depan bergelombang dan bergelombang, menyebabkan terperangkapnya udara yang kuat.
  • Waktu tinggal yang lama di dalam selongsong menyebabkan pendinginan berlebihan dan risiko lebih tinggi terbentuknya lapisan oksida di permukaan.
• Skema B (0.5 m/s)
  • Kecepatan yang lebih tinggi mengurangi waktu tinggal, tetapi logam masih terlihat gerakan gelombang tidak teratur, sekali lagi mencampurkan udara dan oksida ke dalam lelehan.
• Skema C (0–1.23 m/s, percepatan seragam)
  • Bagian depan logam tetap ada halus dan condong ke depan.
  • Tidak diamati adanya aliran balik atau gelombang bergulung yang signifikan, sehingga secara drastis mengurangi risiko terperangkapnya udara di dalam selongsong.

Singkatnya: terlalu lambat (A) dan terlalu tiba-tiba (B) keduanya mendorong terperangkapnya gas; a percepatan seragam terkendali (C) menjaga bagian depan tetap stabil.

3.2 Distribusi waktu pengisian di rongga

Ketiga profil memiliki waktu pengisian kecepatan tinggi yang serupa (~0.04 s), tetapi fase kecepatan rendah dan total waktu pengisian berbeda:

• Skema A: pengisian lambat ≈ 4.14 s, jumlah ≈ 4.18 s
• Skema B: pengisian lambat ≈ 2.00 s, jumlah ≈ 2.04 s
• Skema C: pengisian lambat ≈ 2.94 s, jumlah ≈ 2.99 s

Yang lebih penting dari total waktu adalah gradien waktu pengisian di seluruh casting:

• Skema A dan B Menunjukkan perbedaan lokal yang besar dalam mengisi waktu antara wilayah dekat dan jauh dari gerbang. Hal ini dapat menyebabkan ketidakseimbangan suhu, penutupan dingin, dan tanda-tanda aliran yang terlihat.
• Skema C menyimpan gradien waktu pengisian relatif kecil melintasi pintu, memberikan riwayat termal yang lebih seragam.

3.3 Distribusi suhu selama pengisian

Medan suhu di akhir pengisian sangat penting untuk aluminium berdinding tipis:

• Skema A
  • Suhu di gerbang cukup seragam.
  • Tapi dari selongsong tembakan ke ingate, suhu turun dengan cepat, mengurangi fluiditas.
  • Pada akhir pengisian, beberapa daerah atas menunjukkan gradien suhu yang tajam dan suhu yang relatif rendah → risiko penutupan dingin dan tanda aliran.
• Skema B
  • Bidang suhu adalah tidak seragamMisalnya, gerbang di wilayah kanan bawah mendingin jauh lebih cepat.
  • Setelah pengisian, pengecoran hampir seragam di sekitar 640 ° C, artinya bagian tersebut adalah terlalu panas secara keseluruhan, yang dapat memperpanjang waktu pemadatan dan meningkatkan risiko penyusutan.
• Skema C
  • Tampilan area gerbang suhu pengisian seragam, dan penurunan suhu dari selongsong peluru ke gerbang bersifat sedang.
  • Fluiditas logam baik, dan distribusi suhu keseluruhan pada akhir pengisian lebih seimbang.

Kesimpulan:
Di antara tiga profil tembakan lambat, strategi percepatan seragam (Skema C) menawarkan kompromi terbaik:

• Bagian depan yang halus pada selongsong peluru (minimal terperangkapnya udara)
• Total waktu pengisian yang wajar
• Distribusi suhu yang relatif seragam di rongga dinding tipis

4. Pengaruh Tekanan Intensifikasi terhadap Porositas Penyusutan

Setelah memilih Skema C sebagai profil bidikan terbaik, penelitian kemudian mengeksplorasi bagaimana tekanan intensifikasi mempengaruhi penyusutan dan penyusutan mikro.

Empat tingkat intensifikasi disimulasikan untuk Skema C:

• 40 MPa, 60 MPa, 80 MPa, 90 MPa

4.1 Distribusi penyusutan pada tekanan yang berbeda

Simulasi prediksi pemadatan dan porositas menunjukkan

• Tekanan 40 MPa:
  • Rongga penyusutan (penyusutan + penyusutan mikro) terkonsentrasi di sekitar wilayah gerbang dan dekat titik panas.
  • Total volume cacat relatif besar.
• Tekanan 60 MPa:
  • Porositas terutama terbatas pada sisi atas dan bawah dari pintu.
• Tekanan 80 MPa:
  • Hanya tiga zona penyusutan lokal tetap: satu di dekat gerbang dan satu di masing-masing titik panas atas dan bawah.
• Tekanan 90 MPa:
  • Cacat penyusutan pada daerah yang dievaluasi pada dasarnya adalah dieliminasi; casting diperkirakan akan bebas dari porositas penyusutan yang signifikan.

Studi ini melacak tiga lokasi kritis (A, B, C) dan mengukur volume penyusutan terhadap tekanan. Misalnya, pada titik A, volume penyusutan berkurang sekitar 199 mm³ pada 40 MPa untuk 0 mm³ pada 90 MPa.

4.2 Pelajaran utama

Untuk pengecoran otomotif berdinding tipis yang besar:

• Intensifikasi sedang (40–60 MPa) mungkin tidak cukup untuk sepenuhnya mengkompensasi penyusutan pemadatan di titik panas terpencil.
• Meningkatkan tekanan intensifikasi menuju 80–90 MPa, dalam batasan kekuatan cetakan dan kapasitas mesin, dapat secara signifikan mengurangi atau menghilangkan porositas penyusutan di wilayah kritis.

5. Validasi pada Mesin HPDC 6800 Ton

Untuk memverifikasi simulasi die casting tekanan tinggi hasilnya, para peneliti melakukan uji coba produksi pada Mesin HPDC 6800 ton:

• Profil bidikan: Skema C
  • Percepatan seragam dari 0 sampai 1.23 m / dtk (kecepatan sangat rendah)
  • Tembakan kecepatan tinggi di 4.6 m / dtk
  • Posisi awal kecepatan tinggi 900 mm
• Tekanan intensifikasi: 90 MPa

Setelah melepas sistem gerbang dan luapan, pengecoran pintu beratnya sekitar 5.56 kgHasil coran menunjukkan:

• Kontur permukaan yang jelas dan akurat
• Tidak ada retakan yang terlihat, kilatan atau penutup dingin
• Pemeriksaan sinar-X zona kritis terungkap tidak ada porositas gas atau rongga penyusutan yang jelas, setuju dengan prediksi simulasi.

Penyelarasan antara hasil virtual dan nyata ini menegaskan bahwa pendekatan simulasi HPDC dapat diandalkan untuk pengembangan jendela proses dan prediksi cacat pada komponen berdinding tipis yang besar.

6. Poin-poin Praktis untuk Insinyur HPDC

Bagi para insinyur yang bekerja pada komponen aluminium struktural otomotif, kasus ini memberikan beberapa panduan praktis:

1. Perlakukan selongsong tembakan sebagai bagian dari sistem pengecoran
   • Fase slow-shot yang tidak terkontrol dengan baik (terlalu lambat atau terlalu cepat) menyebabkan gelombang bergulung yang memerangkap udara dan oksida sebelum logam mencapai gerbang.
   • Mendesain profil tembakan lambat dengan akselerasi halus, disesuaikan dengan geometri paduan dan selongsong peluru.
2. Optimalkan gradien waktu pengisian, bukan hanya total waktu
   • Perbedaan lokal yang besar dalam waktu pengisian di seluruh pengecoran besar menyebabkan suhu yang tidak merata, penutupan dingin, dan tekanan internal.
   • Cinta untuk urutan pengisian seimbang di mana ujung yang jauh tidak tertinggal jauh di belakang wilayah yang berdekatan dengan gerbang.
3. Fokus pada keseragaman suhu di akhir pengisian
   • Pendinginan yang berlebihan berisiko menyebabkan penutup dingin; terlalu banyak panas sisa meningkatkan risiko penyusutan.
   • Gunakan simulasi untuk menyetel suhu leleh, pemanasan awal cetakan, sirkuit pendingin, dan kecepatan tembakan.
4. Jangan meremehkan tekanan intensifikasi
   • Untuk bagian dinding tipis besar dengan jalur aliran panjang, tekanan intensifikasi yang lebih tinggi (≈80–90 MPa) dapat diperlukan untuk menghilangkan cacat penyusutan, selama batasan cetakan dan mesin dipatuhi.
5. Validasi simulasi dengan uji coba yang ditargetkan
   • Setelah simulasi mempersempit kandidat, gunakan uji coba toko terbatas dan sinar-X/pengujian untuk mengonfirmasi jendela proses yang dioptimalkan sebelum meningkatkan ke produksi penuh.

7. Dari Desain hingga Pengiriman: Bagaimana Cetakan Cor Menerapkan Simulasi HPDC

Di Cast Mold, kami menghadapi tantangan-tantangan seperti ini setiap hari:

• Bagian HPDC paduan aluminium dan seng yang kompleks untuk otomotif, telekomunikasi, pencahayaan dan peralatan industri
• Geometri dinding tipis, panjang aliran panjang, dan spesifikasi kosmetik/mekanis yang ketat
• Proyek yang membutuhkan kontrol porositas, integritas struktural dan produksi massal yang stabil

Berdasarkan kasus seperti contoh pintu otomotif di atas, tim teknik kami:

• penggunaan Analisis aliran dan pemadatan yang digerakkan oleh CAE untuk merancang sistem gating, ventilasi dan luapan
• Mengoptimalkan profil tembakan lambat dan tekanan intensifikasi sebelum memotong baja
• Memvalidasi bagian penting dengan Ulasan DFM, laporan simulasi dan inspeksi X-ray / CMM
• Membantu pelanggan berpindah dengan lancar dari prototipe untuk peningkatan, mengurangi risiko dan waktu iterasi

Jika proyek Anda berikutnya melibatkan bagian aluminium berdinding tipis atau besar dan Anda khawatir tentang porositas, penutup dingin, atau kualitas yang tidak konsisten, simulasi die casting tekanan tinggi tidak lagi opsional—ini adalah salah satu alat paling efektif untuk mengamankan proses yang stabil dan dapat diulang dari desain hingga pengiriman.