L’importanza di mesh ibrida e dual phase per la simulazione fluidodinamica

Come raccontato nel post Software di simulazione per pressofusione: Castle di PiQ2, Castle è un software elaborato da PiQ2 specificamente per la progettazione e la simulazione fluidodinamica degli stampi per pressocolata a camera fredda e a camera calda. La specializzazione del software su un solo processo produttivo, quello della pressocolata, ha consentito di implementare alcune funzioni che permettono al programma di ottenere simulazioni estremamente fedeli alla realtà. In particolar modo, PiQ2 si è assicurato un vantaggio competitivo sulle simulazioni offerte dalla maggior parte dei competitor grazie a due funzionalità: la mesh ibrida e la simulazione dual phase.

Nel corso di questo post approfondiremo alcuni dettagli tecnici delle due funzionalità, indagando come e perché risultino vantaggi competitivi nella progettazione degli stampi per pressocolata e nella simulazione fluidodinamica del loro riempimento.

 

Definizione e tipologie di mesh per la simulazione fluidodinamica

Definizione di mesh

Una mesh, maglia in inglese, è “un reticolo che definisce un’oggetto nello spazio, composto da vertici, spigoli e facce”. In computer grafica le mesh vengono utilizzate per ricostruire e rappresentare le forme di un oggetto nello spazio e possono essere di differente genere a seconda della forma, delle dimensioni e della disposizione reciproca degli elementi che le compongono.

Nel dettaglio, nel campo della progettazione degli stampi per pressocolata e della simulazione fluidodinamica, le mesh vengono utilizzate per studiare e valutare la forma di componenti, stampi e flussi di alimentazione, scarico, lubrifica e raffreddamento. Per questa ragione la forma del reticolo della mesh e la sua capacità di rappresentare fedelmente e dettagliatamente la geometria di un oggetto sono fondamentali per ottenere rappresentazioni precise e aderenti.

L’esigenza di dettaglio e precisione, caratteristica della progettazione, si scontra però con la complessità delle elaborazioni che devono essere effettuate: al livello di articolazione della mesh corrispondono infatti tempi di elaborazione proporzionali. Per questa ragione, nella simulazione dei flussi di riempimento e nella progettazione degli stampi per pressocolata, si rende necessario raggiungere un compromesso tra livello di dettaglio della rappresentazione grafica, tempi di calcolo ed utilizzo dei processori.

PiQ2 con la sua suite Castle ha scelto quindi una soluzione capace di ottimizzare questo aspetto: il suo nome è mesh ibrida.

 

La mesh ibrida di PiQ2

Proprio la ricerca di un compromesso tra le esigenze di dettaglio e tempistiche del calcolo hanno portato PiQ2 ad elaborare una tecnologia basata su mesh ibrida. La mesh ibrida di PiQ2 permette di aumentare la finezza della mesh solo nei punti in cui è necessario effettuare valutazioni più accurate e dettagliate.

A differenza di quanto offerto dai competitor, PiQ2 mette quindi a disposizione dei progettisti mesh interne prismatiche strutturate, mesh superficiali non strutturate, mesh grossolane per le sezioni a maggior spessore e mesh fini per le sezioni sottili e vicine alla superficie. In questo modo, grazie alla presenza di diverse mesh con diversi livelli di raffinamento, è possibile selezionare arbitrariamente le zone in cui è necessario ottenere un elevato grado di dettaglio. Inoltre, la mesh ibrida di PiQ2 consente di definire un livello di raffinamento indipendente per ogni zona in modo tale da diminuire il tempo di calcolo e di analizzare dettagliatamente solo le zone che lo richiedono. Si tratta di una seconda caratteristica decisamente interessante, che comporta un importante passo tecnologico come vantaggio competitivo di Castle verso i suoi competitor.

Sempre in riferimento al tempo di calcolo e alla velocità con cui è possibile ottenere i risultati delle simulazioni, Castle di PiQ2 è un software multiprocessore il cui calcolo può essere distribuito liberamente al numero di processori desiderato. A differenza della concorrenza, quindi, PiQ2 non diversifica le proprie licenze in mono e multi processore e lascia al cliente la libertà di decidere il numero di processori da impiegare per il calcolo senza costi aggiuntivi: un vantaggio competitivo che si traduce in libertà per il cliente.

 

Simulazione dual phase

In apertura abbiamo dichiarato che le funzionalità innovative che consentono a PiQ2 di differenziarsi dalla concorrenza sono due: la mesh ibrida e la simulazione dual phase. Analizzata la mesh ibrida passiamo allora nel dettaglio alle funzionalità della tecnologia dual phase e indaghiamo come essa consenta a PiQ2 di ottenere un ulteriore vantaggio competitivo nei confronti delle soluzioni per la simulazione fluidodinamica degli stampi per pressofusione offerte dai competitor.

 

Simulazione fluidodinamica dei software tradizionali

La simulazione dual phase è una tecnologia innovativa proposta da PiQ2, ottimizzata appositamente per la simulazione fluidodinamica del processo di pressofusione a camera calda e a camera fredda che consente di determinare il comportamento sia del metallo che dell’aria iniettati nello stampo. I software di simulazione tradizionali potrebbero essere definiti “single phase”: non considerano infatti l’aria come un fluido reale e tengono unicamente conto del riempimento dello stampo da parte del metallo.

Nella simulazione del riempimento dello stampo le celle delle mesh di questi software sono piene di metallo o vuote. Questo tipo di simulazione non può quindi tenere conto di tutti i fenomeni che avvengono durante il processo di pressofusione e che sono associati al comportamento dell’aria all’interno dello stampo. Le simulazioni che non tengono conto dell’aria non sono pertanto in grado di simulare l’effetto della nebulizzazione del metallo causata dalla velocità e dall’impatto del fluido contro l’aria, il raffreddamento delle leghe metalliche determinato dallo scontro tra l’aria e il fronte fluido del metallo e gli effetti di vacuum e air vents.

Senza tener conto di questi aspetti risulta molto difficile effettuare simulazioni puntuali e, soprattutto, studiare ed indagare l’insorgenza di difetti determinati dal comportamento dell’aria all’interno dello stampo come, ad esempio, bolle, cavitazioni e porosità da gas.

 

Simulazione fluidodinamica dual phase  

Come già anticipato, invece, la simulazione dual phase di Castle consente di considerare l’aria all’interno dello stampo come un fluido che, al pari del metallo, agisce in base a leggi fluido e termo dinamiche. In questo modo la simulazione fluidodinamica si avvicina alla realtà del processo di pressofusione e rende possibile valutare e tenere conto di una serie di fenomeni solitamente non contemplati dai software di simulazione.

Una singola cella della mesh ibrida di PiQ2 può quindi essere riempita di metallo, di aria o di un’emulsione composta da entrambi i materiali: questo permette di tenere in conto delle modalità in cui l’aria è emulsionata, compressa, trasportata e dispersa dal flusso di metallo con il quale entra in contatto.

Grazie alla simulazione dual phase diventa quindi possibile analizzare i fenomeni di nebulizzazione del metallo nel momento in cui viene iniettato nello stampo, la presenza di goccioline o di piccole bolle d’aria e il comportamento del fronte di metallo fuso nell’incontro/scontro con l’aria. La simulazione dual phase di Castle ha un livello di accuratezza elevatissimo: la risoluzione della visualizzazione dell’intrappolamento dell’aria è virtualmente infinita, anche lo 0,1% delle porosità può essere rilevato e questo significa che il sistema è in grado di predire anche le più piccole zone di porosità.

Tenere conto di tutti questi aspetti nella simulazione fluidodinamica del processo di pressofusione è fondamentale perché è proprio l’aria uno dei principali fattori che determinano l’insorgenza di difetti nei pressofusi.

 

Il valore aggiunto di mesh ibrida e dual phase nella simulazione fluidodinamica

In questo post abbiamo trattato di due importanti vantaggi competitivi che differenziano la simulazione fluidodinamica di Castle di PiQ2 da quelle offerte dalla maggior parte dei software in commercio. In particolar modo, abbiamo indagato due funzionalità legate a CastleBODY, il modulo della suite Castle specificamente dedicato alla simulazione del riempimento dello stampo.

Per una panoramica delle funzionalità degli altri moduli di Castle suggeriamo di leggere il post Stampi per pressofusione: come ottimizzare strumenti e processi. Per maggiori informazioni, invece, invitiamo a contattarci compilando il form.