AN EXAMPLE SIMULATION-ASSISTED DESIGN PREVENTING CASTING ERRORS AND REDUCING COSTS

Öz

In this article, casting simulation processes for obtaining an error-free product depending on the runner design in the sand mold casting process of a component that is widely used in the energy sector and the real casting application of these processes are carried out. The runner and discharge system were designed in accordance with the casting product geometry. Following the design simulations with Solidworks, solidification analysis, filling analysis, temperature distribution and macro-micro shrinkage simulations were performed with the Anycasting simulation program. The runner and discharge mechanism have been updated depending on the simulation results. The simulation results for two different runner and discharge systems were by comparing to each other, and these results were compared with real casting materials. The simulation results reveal that the runner design in the casting process has a direct effect on the product quality. It was observed that macro-micro shrinkage, filling time-flow rate values decreased concerning on the runner design. With the simulation results, it will be possible to prevent the production of defective parts and wrong mold design that may occur during the casting process, and to reduce the production costs per part.

Anahtar Kelimeler

• casting
• mould
• runner
• simulation assisted design

SİMÜLASYON DESTEKLİ ÖRNEK BİR TASARIM İLE DÖKÜM HATALARININ ENGELLENMESİ VE MALİYETLERİN DÜŞÜRÜLMESİ

Öz

Bu makalede enerji sektöründe yaygın olarak kullanılan bir komponente ait kum kalıba döküm prosesinde yolluk tasarımına bağlı olarak hatasız bir ürün elde edilmesine yönelik döküm simülasyon işlemleri ve bu işlemlerin gerçek döküm uygulamasına ait çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Döküm ürünü geometrisinin ihtiyaçlarına uygun olan tahliye ve yolluk sistemlerinin tasarımı yapılmıştır. Solidworks ile tasarım simülasyonları gerçekleştirilmesini takiben Anycasting simülasyon programı kullanılarak katılaşma, dolum-zaman-sıcaklık analizleri ile mikro ve makro çekintilerin simülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları ele alınarak yolluk-tahliye mekanizmaları yenilenmiştir. Farklı yapıda tasarlanan tahliye-yolluk sistemleri için gerçekleştirilen simülasyon çalışmaları araştırılarak mukayese yapılmış ve prototip imalat sonuçları değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları döküm prosesinde yolluk tasarımının ürün kalitesine doğrudan etkili olduğunu ortaya koymaktadır. Yolluk tasarımlarının yenilenmesi neticesinde makro-mikro çekinti ile birlikte dolum süresi ve akış hızları değerlerinde de azalma görülmüştür. Simülasyon çalışmaları neticesinde döküm esnasında oluşması muhtemel hatalı parçaların üretimi ve kusurlu kalıp tasarımının önüne geçilmesi mümkün olacak ve parça başına düşen üretim maliyetleri azalacaktır.

Anahtar Kelimeler

• Döküm
• Kalıp
• Yolluk
• Simülasyon Destekli Tasarım

Kaynakça

1. Arda, İ., Kayıkcı, R. Döküm simülasyonu nedir? Ne değildir? Metal Dünyası, 2006; 154; 144-148.
2. Ayar, MS., Ayar VS., George. PM. "Simulation and experimental validation for defect reduction in geometry varied aluminium plates casted using sand casting. Materials Today: Proceedings; 2020; 27; 1422-1430.
3. Boydak, Ö. An Experimental and a numerical investigation of a high pressure die casting aluminium alloy. Boğaziçi Üniversitesi Graduate Program In Mechanical Engineering, Degree Of Master, sayfa no: 121, İstanbul, Türkiye, 2007.
4. Çolak, M., Kayıkcı, R. Döküm simülasyon programları üzerine bir değerlendirme, Metal Dünyası, 2005; 189, 2-4.
5. Doehler, HH. Basınçlı döküm mesleki ve teknik öğretim kitapları. Ankara: Etüd ve Programlama Dairesi Yayınları; No:80, Erkek Teknik Yüksek Öğretmen Okulu Matbaası, 1974.
6. Eqal, AK. Experimental and simulation study of solidification of commercial pure aluminium by sand casting. Materials Today: Proceedings, 2021; 45; 5122-5127.
7. Flender, E., Hartmann, G. Modeling and simulation in high pressure die casting, Metalworld, 2008; 10-17.
8. Hodder, JK., Chalataurnyk RJ. Bridging additive manufacturing and sand casting: Utilizing foundry sand. Additive Manufacturing, 2019; 649-660.

9. Gözen A. Basınçlı döküm kalıplarında yolluk sistemlerinin tasarımı ve simülasyonunun incelenmesi. Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Müh. Anabilim Dalı, sayfa no:107, İstanbul, 2007.
10. Imwinkelried, T., Homberger, H. Mould fill simulation to improve the quality of a component. Magnesium Industry, 2001; 39-43.
11. İpek, O., Koru, M. Yüksek basınçlı döküm prosesinde kalıp sıcaklığına bağlı olarak döküm-kalıp ara yüzeyinde oluşan termal temas direncinin belirlenmesi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 2010; 31(1); 45-57.
12. Imwinkelried, T., Homberger, H. Mould fill simulation to improve the quality of a component, Magnesium Industry, 2001; 39-43.
13. Ktari, A., and Mohamed EM. Digital twin of functional gating system in 3D printed molds for sand casting using a neural network, Journal of Intelligent Manufacturing, 2022; 1-13.
14. Liu, W., et al., High temperature mechanical behavior of low-pressure sand-cast Mg–Gd–Y–Zr magnesium alloy, Journal of Magnesium and Alloys, 2019; 7(4); 597-604.
15. Marques, MJ. CAE Techniques for casting optimization, Instituto de Engenharia Mecanica e Gestao Industrial, 2006, 1-4.
16. Rajkumar, I., et al. Experimental and simulation analysis on multi-gate variants in sand casting process." Journal of Manufacturing Processes, 2021; 62; 119-131.
17. Savaş, Ö., Kayıkcı, R., Cüceloğlu, E. Alüminyum-Silisyum alaşımlarının dökümünde mikro porozite probleminin incelenmesi, Metal Dünyası, 2005; 144; 119-123.
18. Saxena, Prateek, et al. Sustainability metrics for rapid manufacturing of the sand casting moulds: A multi-criteria decision-making algorithm-based approach, Journal of Cleaner Production, 2021; 311; 127506.
19. Seo, P.K., Kim, D.U., Kang, C.G. The effect of the gate shape on the micro structural characteristic of the grain size of Al–Si alloy in the semi-solid die casting process, Materials Science and Engineering, 2007; 445-446; 20-30. , Shabani, MO. et al. Evaluation of fracture mechanisms in Al-Si metal matrix nanocomposites produced by three methods of gravity sand casting, squeeze casting and compo casting in semi-solid state, Silicon, 2020; 12; 2977-2987.
20. Sivarupan, T. et al. A review on the progress and challenges of binder jet 3D printing of sand moulds for advanced casting. Additive Manufacturing 2021; 40; 101889.
21. Uludağ., A. Basınçlı döküm yönteminde kalıp sistem tasarımı ve simülasyon analizi. Yıldız teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Müh. Anabilim Dalı, sayfa no:91, İstanbul, 2007.
22. Vinarcık, JE. High Integrity Die Casting Processes. New York. John Wiley&Sons. 2003.
23. Yan, H., Zhuang, W., Hu, Y., Zhang, Q., Jin, H. Numerical simulation of AZ91D alloy automobile plug in pressure die casting process, Journal of Materials Processing Technology, 2007; 187(5); 349-353.
24. Yüksel, S., Göloğlu C. Metal enjeksiyon kalıplamada yolluk tasarımı sistematiği. 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, 2009, Karabük Üniversitesi, Karabük.
25. Zheng, Jun, et al. Effectiveness analysis of resources consumption, environmental impact and production efficiency in traditional manufacturing using new technologies: Case from sand casting, Energy Conversion and Management, 2020; 209; 112671.