Gating Sistem Dan Casting Desain-6

Gating Systems

Gating Sistem dan Casting Desain

z

z

Gating Systems (Sand or gravity)

Cetakan Pasir

Gating systems ialah jaringan pipa /saluran logam cair untuk memasuki cetakan (pasir, logam, dll) untuk mengisi seluruh rongga cetakan yang diikuti oleh pembekuan logam cair untuk menghasilkan bentuk benda casting. Hukum-hukum aliran fluida yang umum digunakan untuk menghasilkan gating system yang optimal antara lain : Bernoulli’s Theorem, Law of Continuity, dan Momentum Effects (Reynold’s Number).

Tujuan utama pembuatan gating systems : 1.

Logam cair dapat masuk ke cetakan melalui gating systems tanpa turbulensi dan penyerapan gas-gas yang minimum.

2.

Logam cair dapat mengisi penuh rongga cetakan dalam waktu yang sesingkat-singkatnya.

3.

Mencegah/meminimalisasi premature solidification

4.

Mengatur kecepatan alir logam cair yang akan masuk ke mold cavity

5.

Logam cair dapat masuk ke dalam cetakan dengan gradient temperatur yang tercipta di mold surface dan di dalam logam cair yang selanjutnya akan menghasilkan directional solidification menuju riser.

Pouring Basin z

z

z

Pouring basin ialah semacam corong yang ditempatkan di atas sprue pada bagian cope. Design yang baik dari pouring basin akan mengatur laju masuknya logam cair ke dalam sprue, menghasilkan aliran logam cair yang lembut di dalam sprue dan mencegah turbulensi. Pouring basin harus diletakkan dekat dengan tepi flask agar cetakan bisa terisi penuh dengan cepat dengan menjaga mould tetap terisi penuh dengan logam cair selama proses pouring berlangsung.

1

Bernoulli’s Theorem z

z

z

z z z z

Sprue Design dari sprue sangat krusial untuk mencegah inisiasi aliran turbulent dalam gating systems. z Aliran turbulent menyebabkan peningkatan daerah yang terekspos terhadap udara luar yang selanjutnya akan meningkatkan proses oksidasi logam cair dan menyebabkan erosi pada cetakan pasir.

Bernoulli’s Theorem : at any point of full system, the sum of the potential energy, pressure energy, kinetic energy and frictional energy of flowing liquid metal equal to a constant. wZ + wPv + wV2/2g + 2F = C z W= berat logam cair (pound), Z = tinggi logam cair (inch), P = tekanan static logam cair (pound/inch2), v = volume spesifik logam cair (inch3/pound), V = kecepatan (inch/s), F = energi gesekan per satuan berat Reynold Number Jika NR < 2000, aliran bersifat laminar Jika 2000 < NR < 20000, terjadi mixing dan sedikit turbulensi Jika NR > 20000, aliran bersifat sangat turbulent

Sprue

z

z z z

GATE dan CHOKE z

z

Gate merupakan saluran terpendek yang menghubungkan antara runner dan cetakan Choke digunakan untuk membatasi laju aliran logam cair

[a] Natural flow of a free falling liquid metal [b] Air aspiration induced by a liquid metal flow in a straight-sided sprue. [c] Liquid flow in a tapered sprue.

Choke (Strainer Core) z

z

Choke : suatu penghalang (restriction) yang dipasang di dasar sprue / pada runner untuk mengontrol laju aliran logam cair sebelum masuk ke dalam mold cavity. Choke yang ditempatkan bersama straight-sided sprue. [a] choke core. [b] runner choke

2

Runner z

z

Runner : suatu saluran yang membawa logam cair dari sprue menuju ingate(s) yang selanjutnya akan masuk ke dalam rongga cetakan. Perlu digunakan runner extension (blind ends) ⇒ logam cair yang pertama-tama masuk ke dalam gating system umumnya adalah yang paling terkontaminasi / rusak karena kontak dengan dinding cetakan dan bereaksi dengan gas selama logam cair tersebut mengalir ⇒ momentum effect digunakan untuk membawa logam cair yang rusak itu melewati ingates dan menuju runner extension ⇒ logam cair yang lebih bersih masuk ke ingates menuju mold cavity ⇒ dihasilkan benda casting yang lebih baik.

Ingates z z z z z

Ingates

Ingates z

z

z

Multiple gating lebih disukai ⇒ menurunkan pouring temperature ⇒ meningkatkan kualitas struktur metalurgi dari benda casting dan akan mengurangi gradient temperature Dilakukan dengan cara menurunkan luas penampang runner setelah melewati suatu ingate Dengan menurunkan luas penampang runner secara bertahap disepanjang panjang runner → kecepatan dan tekanan logam cair di kedua ingates bisa disamakan.

Riser z

z

z z

Ingates ialah jalan / saluran yang menghubungkan antara runner dan rongga cetakan Ingate harus dibuat menuju daerah yang tebal dari benda casting. Gates berbentuk persegi panjang adalah yang paling sering digunakan. Sangat disarankan untuk membentuk fillet dan flare gates antara benda casting dan ingates. Lokasi ingates harus dibuat sedemikian rupa ⇒ meminimalisasi agitasi dan mencegah erosi cetakan ⇒ mengorientasikan ingates pada arah natural dari logam cair.

Riser adalah reservoir logam cair yang dihubungkan ke benda casting to menyediakan/mensupply logam cair tambahan yang dibutuhkan oleh benda casting selama proses solidifikasi. Shrinkage yang terjadi selama solidifikasi menyebabkan terjadinya voids kecuali ada sejumlah logam cair tambahan yang diumpnkan (fed) ke tempat-tempat yang berpotensial munculnya shrinkage. Riser didesign untuk membeku paling akhir dan menarik shrinkage voids keluar dari benda casting. Riser juga berfungsi sebagai pintu keluar bagi gas-gas dan dross yang terperangkap di dalam logam cair.

Riser z

z

z

Dipengaruhi oleh jenis alloy dan mode pembekuan, jenis medium cetakan dan design casting. Mold dan metal variable juga berpengaruh terhadap jalannya progressive dan directional solidification (lihat slide berikut) Directional and progressive solidification in a casting equipped with a riser.

3

Riser Feeding Distance z z z

Feeding Distance Relationship in Steel Plate z

Section width greater than 3T, where T = thickness

Ialah jarak yang bisa dicapai riser untuk mengkompensasi shrinkage dari benda casting. Dirumuskan sebagai berikut : nR = L (mm) / [dR(mm) + fD x D(mm)] dimana : nR = jumlah Riser L = daerah jangkauan casting yang harus diumpankan dR = Diamater Riser fD = Feeding Distance Factor D = Tebal tuangan paling tipis

Chill Effect of chills in increasing feeding range of risers z

z

In [d], a chill is applied to the isolated section to reduce its solidification time below of that the connection. In [e]. The solidification time of the connection is extended by applying an insulating or exothermic pad to the casting walls.

Procedure for determining a minimum riser size using shape factor method

Riser Configuration and Their Characteristic Values (M, Vr, D, H)

4

Ceramic Filter In Gating Design Perhitungan Ingate Gating Sistem

I z z z z z z

A

=

22 , 6×W

z

ρ ×t × f × hm

IA = Ingate area (Luas ingate) W = berat total (Al + riser + gating system) Ρ = massa jenis Al (2,7 gr/cm3) t = waktu tuang (detik) f = kecepatan (0,3) (hm)1/2 = tekanan metallostatic

Catatan : z M(riser) : M(gating system) = 20% : 10% (dari massa Al produk) z Perbandingan IA : Runner : Sprue z 1 : 4 : 4 (pressurize) z hm = metallostatic pressure height, yaitu tekanan yang diakibatkan dari ketinggian suatu material fliuida.

Tipe Gating System 1. The pressurized gating system AGVS where V : the velocity of fluid

z

z

z

Digunakan untuk meningkatkan kebersihan benda casting dan menurunkan biaya produksi / manufaktur. Menghilangkan slag, dross dan partikel non-metallic dari aliran logam sebelum masuk ke dalam mold cavity. Umumnya casting alloy mengandung partikel2 yang bisa merusak physical properties dan appearance. (dari kiri-kanan : strainer core, extruded ceramic filter, ceramic foam filter, mica screen dan woven fabric screen)

Tipe Gating System z

z

Perbedaan terletak pada penempatan posisi choke (flow-controlling restriction) dalam gating system. Pressurize gating system → choke terletak diantara runner dan gate Ratio luas permukaan sprue : runner : gates ialah 1:2:2, 1:2:4 dan 1:4:4. Unpressurize gating system → choke terletak diantara sprue dan runner Ratio luas permukaan sprue : runner : gates ialah 4:8:3

2. The unpressurized gating system ASVG z Most metals generally have unpressurized gating systems.

z

Pressurize Gating System

Unpressurized Gating System

Keuntungan :

Keuntungan :

1.

1.

2. 3.

4.

↓ ukuran dan berat benda casting ⇒ ↑ mold yield. Gating system selalu terisi penuh oleh logam cair Ketika memakai multiple gates, laju aliran logam cair di tiap gate (dengan luas permukaan gates yang sama) ialah sama. Jumlah logam cair yang tersisa di dalam gating system ↓ ⇒ casting yield ↑.

Kerugian: 1. 2.

Turbulensi sering terjadi pada junctions dan corners Kecepatan logam cair ↑ saat masuk ke mold cavity ⇒ umumnya diikuti oleh gas entrapment, dross formation dan mold erosion.

2.

↓ kecepatan logam cair di dalam gating system saat memasuki mold cavity ⇒ aliran laminar ⇒ ↓ gas entrapment, dross formation dan mold erosion. Luas permukaan runner dan ingate ↑ ⇒ kecepatan alir logam cair ↓ ⇒ ↓ turbulensi dalam gating system dan semburan logam cair ke dalam mold cavity.

Kerugian : 1. 2. 3.

Luas permukaan runner dan ingates ↑ ⇒ ↓ casting yield. Sulit memperoleh kecepatan alir logam cair yang sama di dalam tiap ingate jika menggunakan multiple gates Persyaratan design yang lebih ketat dan teliti diperlukan untuk menjamin seluruh sistem tetap terisi logam cair selama proses pouring.

5

Perbandingan dengan proses casting yang lain

HPDC z

High Pressure Die casting (HPDC) adalah suatu proses casting dimana dilakukan injeksi/filling logam cair dengan tekanan yang tinggi

z

Pengunaan tekanan tinggi berpengaruh terhadap beberapa faktor, antara lain : z z

Desain produk Cacat-cacat yang terjadi

Produk Umum proses Die Casting z

z z z

Die casting “shot” Overflows Runner Sprue

Overflow z

Salah satu perbedaan dari suatu proses Die Casting adalah adanya over flow. z

z

z

z

Siklus pada HPDC Cold Chamber

Over flow berguna sebagai penampung logam yang melalui cavity Adanya vent memungkinkan untuk udara keluar dari dalam dies Penempatan over flow secara strategis dapat memberikan heat/panas pada bagian dies yang dingin Berguna untuk mengeluarkan logam dari cetakan

Konfigurasi Optimal z z z

Cavity terisi secara sempurna oleh logam Pembekuan cepat tanpa adanya cacat Keluar dengan mudah dari cetakan

6

Metal Flow pada Casting Cavity

Gate Position pada Produk

Gating Position

Filling Pattern

Approach 1

Approach 2

Filling Pattern

Filling Pattern

7

Faktor-Faktor Berpengaruh Pada Defects

z z z z

Fill time Wall thickness Die temperature Alloy temperature

z z z z

Flow distance Gate velocity Alloy type Venting

Die Temperature z

z

Penambahan overflow dapat mengurangi cold flow Faktor yang mempengaruhi : z

z

z

high speed

air entrapment

fill before solidification

high pressure

small porosity

Lubrikan memiliki kandungan 99% air, jika wettingnya baik, 50% panas die dapat dihilangkan. Long spray dapat berakibat over cooling dan berakibat pada porositas

Water atau oil flow Cycle time

Internal Defects: Porosity-Trapped Gas

z

Air Trapped (Udara Terperangkap)

Die spray z

z

Profil Temperatur Dies

pressure

Air Trap pada Shot Sleeve

Untuk memecahkan masalah porositas, lihat kembali ke sumber penyebab hadirnya gas antara lain : Udara yang terperangkap (trapped air) z

z

z

Akan selalu ada, mengingat turbulensi pada saat proses filling Turbulensi dapat dikurangi degan penanganan dan transportasi yang baik dari furnace ke sleeve Mengatur slow speed pada sleeve z Optimalisasi waktu plunger z Percepat laju plunger setelah melewati pour hole z Setelah sleeve terisi, diteruskan dengan akselerasi yang baik menuju fast speed shot

8

Shot Proses Pada bagian shot proses die casting terbagi menjadi tiga fase yaitu: • Fase I bertujuan untuk membawa logam cair ke posisi gate dan mengeluarkan udara/gas dalam sleeve. Parameter yang mempengaruhi adalah slow slot velocity.

Shot Sleeve z z

Berpengaruh terhadap terperangkapnya udara (porosity) Filling harus sekurangnya 50% dari kapasitas chamber untuk meminimalisasi udara yang terperangkap

• Fase II bertujuan untuk mengisi cavity dan overflow serta membawa udara/gas dan kotoran ke overflow. Parameter yang mempengaruhi adalah fast shot velocity.

z

• Fase III disebut juga fasa intensifikasi dimana pada fase dimulai saat cavity filling time selesai atau setelah shot end, yaitu saat plunger tip berhenti. Fase ini bertujuan untuk memampatkan produk casting. Parameter yang berpengaruh adalah metal pressure dan intensification time.

z z

Pada aluminum casting, sleeve fill 25 – 30% ideal untuk benda dengan dinding tipis dan waktu filling yang lama. 25% filling minimum untuk menghindari terjadinya porositas Sleeve fill 55 - 65 % biasanya untuk benda casting yang cukup besar.

Filling Ratio

Casting Desain

Things to consider z z z z

Casting Process Fluid Flow Solidification Geometry or Shape

Fluid Flow z

The hydraulic factors that affect the flow of molten metals are: z z z z z

Bernoulli’s Theorem Law of Continuity Momentum Effects Frictional Forces Reynolds’ Number

9

10

Binder Effect

Inclusion Effect

11

Solidification z

z

To get the solidification process started, the liquid phase must be undercooled, cooled to a temperature below the freezing point. Once a nucleus forms, it can proceed to grow as fast as the latent heat of solidification and specific heat can be carried away. Controlled by: z z z

Solidification Analysis z

Solidification Time z

z

Feeding Distance z z

z

Chvorinov rule Feeder effect End effect

Temperature Gradient z

Niyama criterion

Temperature profile Mould Interface

thermal conductivities relative masses shapes of the melt, the solid, and mold

Heat Transfer z

Key phenomenon in solidification is transfer of heat through : z z z z

Radiation Direct contact with mold Conduction through air Convection in the air gap between mold and metal

Air Gap (Mould Contact)

12

Cooling Curves

Heat Transfer Steady state

Q = κA

∆T x

Q = the heat flow rate (W) κ = the thermal conductivity (W m-1 K-1) A = the cross section area x = the distance between the two ends ∆T = the difference in temperature between the two ends • Changing with time

Chvorinov's Rule V  TST = Cm    A

n

TST = total solidification time; V = volume of the casting; A = surface area of casting; n = exponent usually taken to have a value = 2; Cm is mold constant

Control of Solidification z

z

What Chvorinov's Rule Tells Us z

z

A casting with a higher volume-to-surface area ratio cools and solidifies more slowly than one with a lower ratio z To feed molten metal to main cavity, TST for riser must greater than TST for main casting Since riser and casting mold constants will be equal, design the riser to have a larger volume-to-area ratio so that the main casting solidifies first z This minimizes the effects of shrinkage

Shrinkage

Inoculation or Grain Refining Practice - introduction of nuclei to encourage rapid solidification (reduce and minimize undercooling) Directional Solidification - control the growth rate and temperature gradient to manipulate growth interface. z z

Use of chills in castings produce finer grain structure Specialized solidification techniques to create single crystals castings

13

Shrinkage Pipe

Shrinkage Porosity

Shrinkage Remediation z

Use Clean Melting Metal Inclusion can be the initiator of gas z Inclusion could cause non directional solidification Uniform solidification in thin and thick section Use chiller for directional solidification Use riser effectively z

ƒ ƒ ƒ

Shrinkage Allowance Patternmakers account for solidification shrinkage and thermal contraction by making mold cavity oversized z Amount by which mold is made larger relative to final casting size is called pattern shrinkage allowance z Casting dimensions are expressed linearly, so allowances are applied accordingly z

14

Directional Solidification z

To minimize damaging effects of shrinkage, it is desirable for regions of the casting most distant from the liquid metal supply to freeze first and for solidification to progress from these remote regions toward the riser(s) z

z

Thus, molten metal is continually available from risers to prevent shrinkage voids The term directional solidification describes this aspect of freezing and methods by which it is controlled

Poor Directional Solidification

Achieving Directional Solidification z

z

z

Desired directional solidification is achieved using Chvorinov's Rule to design the casting itself, its orientation in the mold, and the riser system that feeds it Locate sections of the casting with lower V/A ratios away from riser, so freezing occurs first in these regions, and the liquid metal supply for the rest of the casting remains open Chills - internal or external heat sinks that cause rapid freezing in certain regions of the casting

Cacat yang umum pada Wheel

Fishbone Cacat Porositas dan Shrinkage

Variable Process untuk Die Casting

Dies/ Cetakan

PROCESS VARIABLE METAL ANALYSIS

All

DIE FACE TEMPERATURE

Cold shuts, soldering, cracks, dimensions

DIE FILLING CONDITIONS - Cavity Fill time - Gate velocity during fill

Kecepatan Tuang

All

METAL TEMPERATURE

DIE SPRAY - Dilution quantity, and spray pattern

Material

RELATED DEFECTS

Porosity, blisters, soldering

Ratio Ingot:Scrap

Temp, Coating Cacat shrinkage dan porositas Modifier

Pelatihan Grain Refiner

Cold shuts, dimensions Porosity, blisters, soldering, erosion

Desain, Pelumas

Pengotor

Fluxing - Temperatur Melting/ Holding - Degassing (Ar/N bubbling)

Man Metode/Metal Treatment

15

Casting Simulation Software

Pendahuluan z

z

z

Konsep Desain Casting

z

Simulasi casting pada dasarnya terbagi atas beberapa konsep perhitungan model yaitu : z

Perhitungan aliran/flow z

z z

Perhitungan free surface z z

z

Digunakan untuk melihat fenomena aliran logam dalam mengisi casting cavity dengan memperhatikan faktor – faktor antara lain kecepatan alir, berat jenis material. Navier-Stokes equation Metode Sola Digunakan untuk melihat kondisi surface boundary dan prediksi pergerakan aliran Metode VOF

Penggunaan simulasi komputer sebagai alat bantu dalam simulasi casting dimulai pada tahun 80an Pada dasarnya perhitungan berdasarkan pada computasi FEM, FDM atau FVM Familiar brand casting simulation seperti Magmasoft, ProCAST, Stefan, SolidCast

Casting Modelling Approach

Langkah Dalam pengembangan suatu Produk casting z z z z z z z z z z z z

Desain awal produk Assesmen kelayakan casting produk Assesmen quality yang dibutuhkan Membuat desain riser dan gating sistem Pembuatan pattern/pola Uji coba casting Proposal perubahan untuk castability yang lebih baik Perubahan desain produk, riser dan gating sistem Test Casting Proses produksi Inspeksi akhir Inspeksi oleh pihak costumer

Casting simulation

Perhitungan transfer panas z

Digunakan untuk melihat fenomena pada saat pembekuan (solidification)

16

Casting simulation (Magmasoft)

Example Casting Simulation (ProCast)

Prediksi porositas

Hasil test X-Ray

Flowchart Casting Simulation Z cast

SHTH Cast

3D Model

z

Pre Prosessing

Mesh Generation

Parameter setting -Material selection -Mold

Ingate Parameter -position

Solver

Flow

Solidification

Post Processing

•Buat Model 3D produk dengan mengunakan drawing software seperti Solidwork, Catia, Autocad •Tambahkan gating sistem dan riser (dengan metode yg sama seperti diatas) •Simpan file sebagai stereolithography file (STL)

Model

z z z z z z z

Material : AC4CH Pouring temperature : 700 C Total mesh : 1,4 million (175x125x65) Gating ratio 1:1:2 Choke diameter : 30 mm Pouring time : 15 sec Casting weight : 127 kg Casting yield (final simulation): 65%

Case 1

Blind riser

Dimension : Height: 400 mm Length: 1310 mm Width :1030 mm

Posisi shrinkage tanpa riser

Chill

17

Flow

10% filling rate

20% filling rate

40% filling rate

60% filling rate

Solidification time

Shrinkage

Shrinkage muncul pada daerah rib dan daerah dekat dengan in gate

Case 2 (change riser position)

Memindahkan posisi riser (lingkaran hitam) dan mengurangi ketebalan pada ingate (lingkaran merah)

18

Flow (animation)

10% filling rate

20% filling rate

40% filling rate

60% filling rate

Solidification time

Thin section, higher cooling rate

Contoh Parameter Pada Mesin HPDC

shrinkage

Ds

DB

z z z z z z z z

4 % solid rate

DP

DH

Sleeve stroke (DS) Sleeve diameter (AS) Distance low speed (DL) Low speed (SL) Distance high speed (DH) High speed (SH) Total travel distance Biscuit thickness (DB)

SL

As

SH

DL

plunger

Filling ratio

: 940 mm : 110 mm : 720 mm : 0,22 m/s : 190 mm : 2,5 m/s : 910 mm : 30 mm

Final solidification (89%)

Kemungkinan shringkage tetap muncul akan tetapi jumlahnya sudah berkurang. Posisi dari shringkage berada pada daerah yang cukup tipis, dan sudah terlihat dari tahap awal pembekuaan.

19

Low Pressure DC

Casting parameter z z z z

Material : ADC 12 Material Dies : SKD 61 Temperatur pouring : 635oC Temperatur dies : 220oC

Input Parameter

Cooling Channel

Before Before Air Water cooling (Sprue Sprue,, hub)

Hot spot

Cavity

Mold(skd61) Sprue bush (SCM440)

Air cooling (Spoke, hub)

defect

Cooling Channel

20

Improvement Improvement

Air Direction of Solidification

Chill & Ceramic Wool

Final Desain

TC10 TC9

TC8 TC7 TC5 TC6

TC1 TC3 1 TC1 TC2

TC4

TC12

Thermo -Couples

Temperature Profile Temperature Cycle

21