ANSALDO NUCLEARE. INDESIT: Optimization. Analysis of the Sloshing of a Large Tank with Fukushima Daiichi Seismic Excitations. of a Fridge Packaging

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1 Year 9 n 1 Spring 2012 ANSALDO NUCLEARE Analysis of the Sloshing of a Large Tank with Fukushima Daiichi Seismic Excitations EnginSoft and Brembana Costruzioni Industriali, Partners for the Conceptual Design of a Modular Cryostat for LBNE Liquid Argon TPC Multi-Objective Optimization of Electromagnetic Devices Integrating modefrontier with ANSYS Maxwell INDESIT: Optimization of a Fridge Packaging Optimization of Process Parameters for Aluminum Longitudinal Friction Stir Welded Joints Die Casting Optimization Really Assists with Scrap Reduction Genetic Algorithms in the Optimization of Cable Systems ANSYS Release 14 Realize Your Product Promise

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3 Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-3 Flash The spring season brings fresh opportunities to the simulation-based engineering and sciences communities around the globe. EnginSoft and the Editorial Team are proud to present an excerpt from the numerous progresses and the innovations that evolve in our fields, in this 1st 2012 Edition of the Newsletter. We hear how EnginSoft and Brembana Costruzioni Industriali collaborate to create the design of a large vacuum insulated cryostat. In this context, we also learn about FERMILAB in Chicago and the Long Baseline Neutrino Experiment. Ansaldo Nucleare and the University of Pisa demonstrate how engineering analysis with ANSYS can contribute to the improved safety of a nuclear reactor. Optimization remains a principal topic in CAE that we cover with articles on the optimized packaging of an INDESIT refrigerator and the advancements achieved for the Ferroli products. Beyond that, we will see how modefrontier s genetic algorithm has been applied to the structural optimization of a Geiger Dome. We hear why Israel Aerospace Industries (IAI) counts on optimization for applications ranging from wing sizing to business plans. The University of the Witwaters in South Africa tells us about the Friction Stir Welding (FSW) technique, and ESTECO illustrates the integration of modefrontier with ANSYS Maxwell. In our interview, Antonio Agresta from the Automotive Group of Continental AG shares his thoughts on innovations for a mobile automotive future. Our software news report on the latest releases of the ANSYS product family, Flowmaster and MAGMAsoft. We inform our readers about the FP7 European Project FIRST and EnginSoft s contribution to this important initiative. After all, FIRST is dedicated to an ambitious aim of the EU, becoming the uncontested world leader in aeronautics by Our Newsletter conveys many news on events throughout Europe, the USA and Japan, please reserve time in your diary for the core event of the EnginSoft Network in 2012: the EnginSoft CAE Conference, October. Our Conference Announcement will reach you shortly. Be inspired about Simulation and CAE Be our guest in beautiful Italy this year! Stefano Odorizzi Editor in chief Ing. Stefano Odorizzi EnginSoft CEO and President

4 4 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 Sommario - Contents CASE STUDIES 6 Analysis of the Sloshing of a Large Tank with Fukushima Daiichi Seismic Excitations 10 Indesit Company - Ottimizzazione dell imballo di un frigorifero 14 EnginSoft e Brembana Costruzioni industriali, partner per la progettazione concettuale di un criostato modulare per LBNE liquid argon TPC 18 Riduzione degli scarti grazie all ottimizzazione del processo di pressocolata 24 Multi-Objective Optimization of Electromagnetic Devices Integrating modefrontier with ANSYS Maxwell 27 Optimization of Process Parameters for Aluminum Longitudinal Friction Stir Welded Joints 30 Genetic Algorithms in the Optimization of Cable Systems 34 Simulation Technologies for Prevention of Natural Disasters 36 From Napoleon to LIONsolver SOFTWARE NEWS 38 ANSYS CFD ANSYS 14 Mechanical 42 ANSYS EKM 14, nuova release, nuove feature 44 Flowmaster V7.9: New Two-Phase Capabilities 46 La nuova release MAGMA 5.2 INTERVIEWS 48 The Automotive Group of Continental AG - Innovations for a Mobile Automotive Future RESEARCH & TECHNOLOGY TRANSFER 50 EnginSoft Contributes to the Reduction of Combustion Emissions in Civil Aviation as Partner of the FP7 European Project FIRST 53 EUCOORD will make the Coordination of EU Research Projects extremely easy SUCCESS STORIES 54 ASFO SpA: Rolling into the Future The EnginSoft Newsletter editions contain references to the following products which are trademarks or registered trademarks of their respective owners: ANSYS, ANSYS Workbench, AUTODYN, CFX, FLUENT and any and all ANSYS, Inc. brand, product, service and feature names, logos and slogans are registered trademarks or trademarks of ANSYS, Inc. or its subsidiaries in the United States or other countries. [ICEM CFD is a trademark used by ANSYS, Inc. under license]. ( modefrontier is a trademark of ESTECO srl ( Flowmaster is a registered trademark of Mentor Graphics Corporation. ( MAGMASOFT is a trademark of MAGMA GmbH. ( ESAComp is a trademark of Componeering Inc. ( Forge and Coldform are trademarks of Transvalor S.A. ( LS-DYNA is a trademark of Livermore Software Technology Corporation. ( SCULPTOR is a trademark of Optimal Solutions Software, LLC ( LIONsolver is a product of Reactive Search SrL, a partner of EnginSoft ( Grapheur is a product of Reactive Search SrL, a partner of EnginSoft ( For more information, please contact the Editorial Team

5 Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-5 EVENTS 55 History and Applications of modefrontier at Israel Aerospace Industries 56 EnginSoft GmbH Presents Methodology for Bidirectional Simulation Data Flow Management at NAFEMS CORPORATE NEWS 58 EnginSoft protagonista all ANSYS 2012 Worldwide Sales Conference 60 EnginSoft presente al programma POR CReO EnginSoft ottiene la certificazione ambientale nella sede di Mesagne (BR) 62 EnginSoft Event Calendar PAGE 10: INDESIT COMPANY OTTIMIZZAZIONE DELL IMBALLO DI UN FRIGORIFERO Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 - Spring 2012 To receive a free copy of the next EnginSoft Newsletters, please contact our Marketing office at: newsletter@enginsoft.it All pictures are protected by copyright. Any reproduction of these pictures in any media and by any means is forbidden unless written authorization by EnginSoft has been obtained beforehand. Copyright EnginSoft Newsletter. Advertisement For advertising opportunities, please contact our Marketing office at: newsletter@enginsoft.it EnginSoft S.p.A BERGAMO c/o Parco Scientifico Tecnologico Kilometro Rosso - Edificio A1, Via Stezzano 87 Tel Fax FIRENZE Via Panciatichi, 40 Tel Fax PADOVA Via Giambellino, 7 Tel Fax MESAGNE (BRINDISI) Via A. Murri, 2 - Z.I. Tel Fax TRENTO fraz. Mattarello - Via della Stazione, 27 Tel Fax TORINO Corso Moncalieri, 223 Tel Fax info@enginsoft.it COMPANY INTERESTS ESTECO srl CONSORZIO TCN PAGE 14: CRIOSTATO MODULARE PER LBNE LIQUID ARGON TPC: PROGETTAZIONE CONCETTUALE PAGE 6: ANALYSIS OF THE SLOSHING OF A LARGE TANK WITH FUKUSHIMA SEISMIC EXCITATIONS EnginSoft GmbH - Germany EnginSoft UK - United Kingdom EnginSoft France - France EnginSoft Nordic - Sweden Aperio Tecnologia en Ingenieria - Spain Cascade Technologies Reactive Search SimNumerica M3E Mathematical Methods and Models for Engineering ASSOCIATION INTERESTS NAFEMS International TechNet Alliance RESPONSIBLE DIRECTOR Stefano Odorizzi - newsletter@enginsoft.it PRINTING Grafiche Dal Piaz - Trento The EnginSoft NEWSLETTER is a quarterly magazine published by EnginSoft SpA Autorizzazione del Tribunale di Trento n 1353 RS di data 2/4/2008

6 6 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 Analysis of the Sloshing of a Large Tank with Fukushima Daiichi Seismic Excitations The Westinghouse AP1000 nuclear reactor design is a pressurized water reactor with a power rating of 3415 MWt and an electrical output of at least 1000 MWe. The AP1000 design contains a variety of engineering and operational improvements providing additional Fig. 1 - Logical layout of the In-containment Refueling Water Storage Tank (IRWST). The two spargers are used to vent steam into the tank. The IRWST provides the heat sink for the Passive Residual Heat Remover Exchanger (PRHR HX). Fig. 2 - Physical layout of the horizontal (lateral) and horizontal overflow vents, of the Passive Residual Heat Remover Exchanger (PRHR HX). safety margins and addresses the U.S. NRC severe accident, safety goal, and standardization policy statements. The most significant improvement of the AP1000 with respect to the previous generation is the use of safety systems that employ passive means such as gravity, natural circulation, condensation and evaporation, and stored energy for accident mitigation. These passive safety systems perform safety injection, residual heat removal, and containment cooling functions. Additional safety features of the AP1000 include a larger pressurizer, an in-containment refuelling water storage tank, automatic depressurization system, digital main control room, hermetically-sealed canned reactor coolant pump motors mounted to the steam generator, and increased battery capacity. In addition, the facility is designed for a 60-year life. The AP1000 design provides for multiple levels of defense for accident mitigation (defense-in-depth), resulting in extremely low core damage probabilities while minimizing the occurrences of containment flooding, pressurization, and heat-up. Defense-in-depth is integral to the AP1000 design, with a multitude of individual plant features capable of providing some degree of defense of plant safety. Six aspects of the AP1000 design contribute to defensein-depth: Stable Operation. In normal operation, the most fundamental level of defense-in-depth ensures that the plant can be operated stably and reliably. Physical Plant Boundaries. One of the most recognizable aspects of defense-in-depth is the protection of public safety through the physical plant boundaries. Releases of radiation are directly prevented by the fuel cladding, the reactor pressure boundary, and the containment pressure boundary.

7 Passive Safety-Related Systems. The AP1000 safetyrelated passive systems and equipment are sufficient to automatically establish and maintain core cooling and containment integrity for an indefinite period of time following design basis events assuming the most limiting single failure, no operator action and no onsite and offsite ac power sources. Diversity within the Safety-Related Systems. An additional level of defense is provided through the diverse mitigation functions within the passive safetyrelated systems. This diversity exists, for example, in the residual heat removal function. The Passive Residual Heat Remover Exchanger (PRHR HX) is the passive safety-related feature for removing decay heat during a transient. In case of multiple failures in the Passive Residual Heat Remover Exchanger,defense-indepth is provided by the passive safety injection and automatic depressurization (passive feed and bleed) functions of the passive core cooling system. Non-safety Systems. The next level of defense-in-depth is the availability of certain non-safety systems for reducing the potential for events leading to core damage. For more probable events, these highly reliable non-safety systems automatically actuate to provide a first level of defense to reduce the likelihood of unnecessary actuation and operation of the safetyrelated systems. Containing Core Damage. The AP1000 design provides the operators with the ability to drain the IRWST water into the reactor cavity in the event that the core has uncovered and is melting. This prevents reactor vessel failure and Fig.3 - Location of the Eastern Honshu Earthquake subsequent relocation of molten core debris into the containment. Retention of the debris in the vessel significantly reduces the uncertainty in the assessment of containment failure and radioactive release to the environment due to ex-vessel severe accident phenomena. Last but not least, the AP1000 is designed with environmental consideration as a priority. The safety of the public, the power plant workers, and the impact to the environment have been carefully integrated in the design and construction of the plant. Objectives of the Analysis The accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plant in Japan has triggered the need for an immediate and coordinated response from the EU, aimed at identifying potential further improvements, in line with the Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-7 fundamental principle of the continuous improvement of nuclear safety. In addition to the EU-mandated stress tests, ANSALDO NUCLEARE SpA has decided to perform an evaluation of the response of the In-containment Refueling Water Storage Tank (a key component of the Westinghouse AP1000 nuclear reactor) against the water sloshing induced by a Fukushima-Daiichi class seismic excitation. The objectives of the analysis are to evaluate: The post-excitation functionality of the Passive Residual Heat Remover Exchanger (PRHR HX, see The Geometry). Specifically, the key question is whether the Passive Residual Heat Remover Exchanger (PRHR HX), will continue to be fully immersed in the water (therefore not impacting the thermal balance and functionality of the device itself). The volume of water leaving/remaining in the In-containment Refueling Water Storage Tank (IRWST, see The Geometry) and the post-excitation level of water. Frequency, amplitude and position of the water wave. The analysis has been performed via two mainstream CFD codes: ANSYS/CFX5 and ANSYS/FLUENT. A specific geometry and mesh was created for these codes of the In-containment Refueling Water Storage Tank and the same seismic excitation was applied. The Geometry The In-containment Refueling Water Storage Tank (IRWST) The In-containment Refueling Water Storage Tank (IRWST) is a very large concrete pool filled with cold borated water. The main geometric features of the IRWST are: Floor Surface Area: in the range of 250 m 2 Water Volume: in the range of 2100 m 3 Water Height: in the range of 9 m In nominal conditions, the distance between the water level and the ceiling is in the range of 0.5 m. Vents are provided to discharge steam and water through the roof of the IRWST to the containment. These vents must pass sufficient steam and water to prevent overpressurization of the IRWST during operation of the spargers (see Fig. 1). These vents are normally closed and open with a slight overpressure. Once these vents are opened they do not need to automatically reclose. Water discharged with steam through the vents to the containment must not drain back into the IRWST through the vents in order to prevent interference with the venting. Vents are provided to allow air/steam to enter the IRWST from the containment. These vents must pass sufficient air and steam to prevent excessive external pressurization of the IRWST during steam line breaks/locas. These vents are normally closed and must open with a slight external

8 8 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 pressure. Overflows are provided which discharge from the side wall of the IRWST into the refueling cavity. These overflows are normally closed and open with a slight overpressure. The general lay-out of the IRWST is shown in Fig. 1. Fig. 2 shows specific details of the IRWST. The Passive Residual Heat Remover Exchanger (PRHR HX) The Passive Residual Heat Remover Exchanger (PRHR HX) is located within the steel containment vessel. The heat exchanger is contained in the IRWST, which provides the heat sink for the heat exchanger. The heat exchanger consists of a bank of C-tubes, connected at the top (inlet) and bottom (outlet) to a tube-sheet and channel head mounted on the IRWST wall. The PRHR HX is connected to the Reactor Cooling System through an inlet line from one of the Reactor Cooling System s hot leg. The outlet line connects to the associated steam generator cold leg plenum. The water in the HX is stagnant and will be in thermal equilibrium with the water in the IRWST. This arrangement maintains a thermal driving head during normal plant standby conditions which provides for the initial PRHR HX startup operation. The heat exchanger is elevated above the Reactor Cooling System loops to induce natural circulation flow through the heat exchanger when the reactor coolant pumps are not available. The PRHR heat exchanger piping arrangement also allows actuation of the heat exchanger with reactor coolant pumps operating. The seismic excitations This analysis will use the seismic excitations (acceleration history, i.e. the acceleration in the 3 coordinate directions Up/Down, East/West, North/South as a function of time) of the Eastern Honshu earthquake. The earthquake and tsunami hit Japan on April 11, 2012 with M 6.6 (Fig. 3). The following three chart (Fig. 4) shows the seismic excitations in term of acceleration time history of the earthquake. The three charts refers to the 3 coordinate directions North/South, East/West, Up/Down. Please note the different scale. Fig.4 - Seismic excitations of the Fukushima earthquake The mesh The pre-processors of the two applications (ANSYS/FLUENT and ANSYS/CFX5) have been used to generate a mesh modeling the geometry for the IRWST. The mesh has been created from CAD models. Meshing density is linked to Fig.5 - Detailed view of the mesh at the corner of the IRWST. The vents on the right side of the IRWST are overlooking the Refueling Pit. Note the refinement of the mesh in the upper part. expected regions of high gradient in the simulated field. The solution domain was subdivided in a lower part (the bottom of the IRWST) where a coarser mesh was used and an upper part (close to the free surface) where a finer mesh was used to better capture: a) the amount of water leaving the IRWST through the vents (horizontal and lateral); b) the shape and position of the wave induced by the sloshing. Extreme care was used to make sure that there would not be any disconnection or incorrect matching of boundary conditions between the two regions (i.e. the lower region and the upper region) because of the different meshing density. The number of cells for ANSYS/FLUENT is 896,724, the number of elements for the ANSYS/CFX5 is 735,540. Because of the different meshing techniques (element vs cell) and because of the different way for assigning the boundary and initial conditions between ANSYS/FLUENT and ANSYS/CFX5, the number of cells and the number of elements are not exactly the same. This difference does not have any significant impact on the modeling of the flow field as well as on the assessment of the volume of water leaving the IRWST because of the sloshing. Also, the different meshes makes for a marginally different value for the volume of water inside the IRWST at the beginning of the simulation (i.e. at t=0.0 s). Results The simulation has been performed using two well known and established applications each using a separate methods: the Free Surface method via ANSYS CFX5 and the Volume of Fluid method via ANSYS FLUENT. The results are therefore not biased by the selections of a specific method. Because of the low content of energy in the first 28 seconds of the acceleration time history, it was decided to begin the simulation from the 28th second, therefore the results shown in this report will begin from 28 seconds.

9 Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-9 Fig 12 and 13 - Position of the water wave at selected moments in or around the area of the PRHR HX (ANSYS/CFX, time has been rescaled). Fig 6 and 7 - Volume of water inside the IRWST as a function of time Fig 14 - Relative load on the Peripheral Outer Wall of the IRWST. The load is the overall force acting on the whole wall. Fig 8 and 9 - Level of water inside the IRWST as a function of time Fig 10 and 11 - Time history of the water leaving the IRWST Fig 10a - Close-up view of the amount of water leaving the IRWST via selected vents (time has been rescaled) The following set of results will be shown as a function of time: Fig. 6 and 7: volume of water inside the IRWST Fig. 8 and 9: level of water inside the IRWST Fig. 10 and 11: time history of the water leaving the IRWST Fig. 10a: a close-up view of the amount of water leaving the IRWST via selected vents Fig. 12 and 13: position of the water level at selected moments Fig. 14: adimensionalized sloshing-induced loads on the outer wall of the IRWST Conclusions The analysis of sloshing in the IRWST induced by a major earthquake shows that there will not be a significant amount of water leaving the tank and that components key to ensure a continuous removal of heat will continue to be completely immersed and operative in the tank (IRWST). While the surface wave hits several times the peripheral walls, the roof and the PRHR HX, the pressures exerted on these components are well below the maximum design loads, therefore the sloshing is not posing any beyonddesign loads to the named components. The position, height and evolution of the surface wave are matched fairly well by the two applications. The two applications and numerical methods used for this analysis yield similar albeit slightly different results, and they can be safely be used as an engineering design simulation tools. Fabrizio Magugliani, Ansaldo Nucleare SpA fabrizio.magugliani@ann.ansaldo.it Daniele Martelli, DIMNP, Università di Pisa martelli.daniele@gmail.com

10 10 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 Indesit Company Ottimizzazione dell imballo di un frigorifero CAE analysis are normally recognized as part of the product development process in mostly high tech industry sectors like aerospace and automotive. But these are not the only sectors! As you can see from this case history describing how packaging optimization could also be influent in product awareness and return of investment. The main objective of the project, that is the cost reduction of the packaging, stimulated performance improvement in terms of protection against impact and various probabilistic injuries. Virtual testing was confirmed by lab experiments in full. Further side effect on manufacturing was a 13% reduction on materials employed. Le analisi CAE sono entrate, nella maggior parte dei settori industriali, parte integrante nel flusso di sviluppo prodotto. Questo lavoro costituisce una novità in quanto l attenzione è rivolta non al prodotto ma all ottimizzazione dell imballo dello stesso. L obiettivo dell attività è stato ottimizzare l imballo di un frigorifero al fine di ridurne i costi di sviluppo e di produzione, mantenendo al contempo inalterata o addirittura migliorandone la capacità di protezione durante le severe prove di validazione alle quali il prodotto imballato viene sottoposto (standard interno INDESIT). I risultati sperimentali hanno validato in pieno i calcoli FEM: il design degli imballi è stato deliberato senza alcuna modifica ed il costo di produzione di questi ultimi è stato ridotto, rispetto al design precedente l ottimizzazione CAE, del 13%. Attività di validazione sperimentale Approccio tradizionale I prodotti di libera installazione di Indesit Company sono imballati con l utilizzo di angolari, traverse e basi imballo in polistirolo espanso, coperchi di cartone, involucro esterno in materiale termoretraibile e regge plastiche per strizione e movimentazione. Tutti i frigoriferi, per ottenere l autorizzazione ad essere prodotti, devono superare, in fase di progettazione e preserie, dei severi test di laboratorio (in due diverse strutture indipendenti) per riprodurre le peggiori condizioni di trasporto possibili. Tra queste prove annoveriamo lunghe permanenze su piani vibranti, drop test da varie altezze su tutti i lati e su tutti gli spigoli, scivolamento su piani inclinati con impatto finale su traversa. Il fine ultimo è di garantire al cliente l arrivo a casa del prodotto integro anche in caso di movimentazione per nulla scrupolosa. Attività di analisi virtuale Approccio Innovativo Questo lavoro è stato svolto su un modello di frigorifero combinato della maggiore altezza e peso prodotto, rappresentativo per l intera gamma, vista la massa dell allestimento considerato. Nel dettaglio, sono state svolte le seguenti attività: 1. Modellazione in ambiente CAE dell intero frigorifero inclusa schiuma poliuretanica interna con funzioni iso- Fig. 1 - Urto posteriore su traversa: confronto danno condensatore sperimentale e calcolato (imballo originale) Rear impact: comparison between real case (experimental) and calculated (original packaging) on the condenser/radiator.

11 Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-11 quanto il prodotto viene disimballato solo al termine dell intera sequenza di test. Lo scopo dell analisi FEM svolta è stato, in prima istanza, comprendere le dinamiche di danno: individuate queste ultime, è stato possibile modificare iterativamente l imballo migliorandone la funzionalità e, nel contempo, riducendone il costo. Fig. 2 - Caratterizzazione guarnizione porta: schiacciamento per il solo effetto del magnete Door seal simulation: crushing based from magnet influence lanti e strutturali con particolare attenzione alle zone sensibili. 2. Modellazione FEM dell imballo completo (polistirolo espanso, cartone, regge plastiche, involucro plastico termoretraibile, nastratura porte). 3. Simulazione virtuale dell intera procedura di prova imballo secondo le norme Indesit. 4. Valutazione funzionale delle parti dell imballo secondo indicatori rappresentativi della capacità di queste ultime di assorbire l energia d urto in ogni singola prova. 5. Ottimizzazione dell imballo e sviluppo di un modello CAE del frigorifero facendo uso delle tecniche di subcycling e sub-structuring in zone critiche del frigorifero (individuate nella fase 3). 6. Definizione finale del design dell imballo. 7. Verifica della configurazione finale con simulazione dell intera sequenza di prove dell imballo. Vantaggi dell approccio virtuale La natura stessa delle prove, sequenziali e continue, rende impossibile individuare la causa dei danneggiamenti in La simulazione FEM ha permesso quindi di: progettare gli imballi secondo l approccio CAE-driven grazie alla comprensione delle dinamiche di danno; verificare virtualmente un gran numero di imballi fino alla configurazione finale eliminando le prove sperimentali intermedie e riducendo quindi i tempi di sviluppo ed i costi di testing; eliminare il rischio di modifica degli stampi delle parti dell imballo; comprendere il fenomeno di impatto e valutare in modo oggettivo l efficacia delle singole parti, questo ha permesso di ottimizzare e/o eliminare parti dell imballo con un risparmio molto elevato. Metodologia Innovativa di sviluppo imballi Dati di partenza Il modello CAD fornito da Indesit è composto dell intero prodotto, compresa la schiuma poliuretanica interna, componentistica termodinamica, quali compressore, condensatore ed intero insieme imballo. Per semplificare il modello, non sono stati considerati nell assieme gli accessori interni i quali non interagiscono direttamente con l imballo esterno ma la cui integrità è in ogni caso verificata in fase di release finale sperimentale. Il peso degli stessi è stato distribuito sull intero prodotto per effettuare l analisi considerando il corretto contenuto energetico in termini di energia cinetica. Indesit ha inoltre fornito schede tecniche dei materiali utilizzati ove disponibili; i restanti dati sono stati estratti da database proprietari di EnginSoft dove sono disponibili caratterizzazioni molto avanzate per un elevato numero di materiali. In ogni caso, è sempre stata verificata la corrispondenza delle curve sperimentali in possesso di Indesit con le curve di out- Fig. 3 - Modello di dettaglio della zona critica della base frigorifero (Subcycling): Comportamento durante l urto su spigolo posteriore The close-up of the refrigerator critical area (Subcycling): Behavior the impact of the rear edge

12 12 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 Fig. 4 - Confronto fra base imballo originale ed ottimizzata Comparison between original (left) and optimized packaging base support component put ottenute riproducendo ogni singola prova sperimentale di caratterizzazione del materiale in ambiente CAE. Indesit ha fornito le specifiche dell intera procedura di analisi e documentazione completa riguardo tutti gli accorgimenti di realizzazione dei prodotti in plant, nonché il know-how dei punti di attenzione aggiuntivi che l R&D utilizza nel design. Indesit ha inoltre collaborato all individuazione di tutti i componenti che più compartecipano all esito della prova imballo pur non essendone parte diretta, come le guarnizioni porta, le cerniere porta e le nastrature adesive di sicurezza. Il modello FEM Considerata la complessità del prodotto in esame e l assenza di background metodologico, alcuni aspetti di modellazione numerica hanno richiesto parecchi run di model validation per la verifica degli stessi. Spesso non si è trattato di un attività di fine tuning di parametri numerici, ma le scelte iniziali sono state completamente stravolte in quanto non soddisfacenti in termini di capacità di cogliere in modo dettagliato il fenomeno fisico. In particolare, si sono implementati artifici numerici al fine di rappresentare opportunamente i seguenti aspetti peculiari: meati di schiuma fra sequenze di parti molto prossime fra loro; condizioni di interfaccia e di adesione fra schiuma e parti di struttura; transizione fra porzioni modellate tramite elementi shell e altre modellate per mezzo di solidi (brick o tetra); modellazione di collegamenti avvitati; rappresentazione di dettaglio del comportamento della guarnizione porta. Quest ultimo aspetto, fondamentale per la stima del danno in termini di deformazione permanente delle cerniere porta in caso di nastratura poco accorta della stessa, ha richiesto un attività di caratterizzazione su un sottomodello di guarnizione molto dettagliato. In tale modello è stato possibile introdurre tutti gli aspetti matematici necessari a cogliere la complessità del fenomeno di schiacciamento in condizioni di misuse (severo tamponamento della guarnizione). Il comportamento strutturale di tale sottomodello di dettaglio è stato poi introdotto nel modello completo del frigorifero tramite una sequenza equispaziata di elementi 1D, con opportuna caratterizzazione non lineare, incollati numericamente alla porta da un lato e alla struttura del frigorifero dall altro. Tale modello tiene conto di fenomeni di scivolamento a taglio della guarnizione in funzione dello schiacciamento in direzione normale. Model Upgrade Il primo ciclo di analisi sul modello completo ha validato le scelte di modellazione confermando a pieno i risultati dei passati test sperimentali svolti in fase di lancio prodotto. Esistono però, nella struttura, zone critiche nelle quali si è deciso di dettagliare ulteriormente il modello al fine di cogliere eventuali meccanismi di frattura legati a dettagli geometrici che nel modello FEM non erano presenti in quanto la taglia della mesh utilizzata (legata al time step) non permetteva di cogliere. Questo ulteriore affinamento aumenta la predittività del modello portandola a livelli estremamente elevati; tale attività si rende necessaria per poter ridurre al minimo il margine di sicurezza nella successiva attività di ottimizzazione del packaging. Si sono implementate due linee di miglioramento: a. subcycling e submodelling (cerniere porta e porzioni di basamento); b. design chain (traversa compressore).

13 Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-13 a. La base del frigorifero, in materiale plastico, è stata inizialmente modellata tramite elementi shell. In alcuni urti (spigolo posteriore in primis), alcune parti nervate risultano molto sollecitate e si osserva un elevata deformazione plastica in corrispondenza dell attacco di alcune nervature. Volendo cogliere il reale comportamento strutturale nel campo plastico, del danno e della rottura, deve essere innanzitutto riprodotta localmente la reale geometria del pezzo e si deve quindi tener conto dell angolo di sformo e del raggio di raccordo fra parete e nervatura in prossimità della radice della stessa. Ciò richiede una taglia di mesh anche al di sotto di 0,5 mm. Si sono quindi utilizzate tecniche di subcycling, submodelling e shell to solid coupling per non causare un drastico ed insostenibile aumento del CPU time che una riduzione del time step globale determinerebbe. Gli interventi hanno portato ad un +40 % di CPU time, valore colmabile aumentando il numero di cores sui quali l analisi viene effettuata. b. Risultano particolarmente sollecitate le alette ripiegate della traversa compressore alle quali quest ultimo viene fissato tramite una torsione delle stesse di 90 gradi. Tali alette sono quindi ricavate per piegatura di 90 gradi in fase di tranciatura della traversa (parte in lamiera stampata) e poi, durante l assemblaggio del frigorifero, torte di 90 gradi, con un paio di pinze, per bloccare il traversino di sostegno del gruppo compressore. Localmente le alette vengono quindi fortemente deformate plasticamente e il considerarle vergini ad inizio simulazione costituisce una grossolana semplificazione. Su un modello ridotto si è quindi simulata sia la piegatura dell aletta (formatura traversa compressore) sia la torsione di 90 gradi della stessa all interno del traversino del compressore (montaggio gruppo compressore). I risultati ottenuti in termini di deformazione plastica e di assottigliamenti sono stati importati nel modello completo del frigorifero inizializzando lo stato del materiale tramite algoritmi di mapping (necessari a trasferire i risultati fra mesh diverse). Matrice di incidenza e ottimizzazione dell imballo Il modello affinato ha svolto tutti i test previsti dalla norma Indesit e ha permesso di compilare una matrice di correlazione tesa ad individuare oggettivamente, per ogni prova, le parti di imballo maggiormente coinvolte. Ciò permette una drastica riduzione dei tempi di sviluppo imballo in quanto, a fronte di una modifica di un certo componente dello stesso, non vengono ripetute tutte le prove ma solo quelle che la matrice mostra essere significative per la parte modificata. Si è proceduto quindi ad individuare le zone a bassa e alta sollecitazione dell imballo procedendo, di conseguenza, ad un re-design per uniformare lo stato di stress ad un livello più uniforme con, quindi, un fattore di sicurezza omogeneo sui vari componenti. Non solo alcune parti sono state riviste ma alcune di esse sono state radicalmente rimosse. L ottimizzazione è avvenuta in più loop andando ogni volta a verificare a calcolo le modifiche introdotte senza alcun test fisico. L esperienza trasversale dei tecnici Indesit sul prodotto, sul processo e sull assemblaggio ha permesso di discriminare fra interventi strutturalmente possibili ma poco remunerativi ed altri apparentemente meno invasivi ma invece molto più interessanti dal punto di vista economico. L analisi con tecniche di subcycling ha permesso di ridurre notevolmente i tempi computazionali, pur utilizzando un modello estremamente dettagliato e rappresentativo. 3.5 Validazione sperimentale finale dell imballo ottimizzato La successiva realizzazione delle attrezzature per il nuovo imballo e la verifica sperimentale dei nuovi componenti realizzati ha riscontrato fedelmente i risultati ottenuti dando evidenza della bontà delle scelte numeriche di modellazione ma anche dell intera metodologia sviluppata. L imballo è stato deliberato senza che nessuna ulteriore modifica si rendesse necessaria. Conclusioni L ottimizzazione della geometria dell imballo ha permesso di ottenere vantaggi sia nelle fasi di ingegnerizzazione dello stesso, sia in termini di abbattimento dei costi di produzione del design definitivo. In breve le ricadute: abbattimento drastico dei tempi e dei costi di sviluppo; possibilità di testare virtualmente, in tempi estremamente ridotti e senza la necessità di costruire alcun prototipo fisico, un elevato numero di revisioni progettuali rispetto a quanto sarebbe stato possibile con metodi sperimentali e prototipali tradizionali; incremento notevole dello know-how aziendale che permetterà di migliorare e rendere efficiente a priori la progettazione dei prodotti delle gamme in prossima uscita; risparmio del 13% su ogni singolo imballo prodotto! Va evidenziato come la modellazione virtuale non abbia sostituito l esperienza progettuale precedente di Indesit, ma, anzi, sia stata ad essa funzionale e complementare. Solo una stretta collaborazione che permetta di attingere da diversi bacini di esperienza/competenza rende il processo estremamente virtuoso e non solo un, seppur interessante, esercizio matematico. Per ulteriori informazioni: Alfonso Ortalda, EnginSoft info@enginsoft.it

14 14 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 EnginSoft e Brembana Costruzioni Industriali, partner per la progettazione concettuale di un criostato modulare per LBNE liquid argon TPC Chicago s Fermilab is involved in the study of a new high intensity proton accelerator for the development of the Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE). The dimensions of the detection chamber are the largest ever to date. EnginSoft and Brembana Costruzioni Industriali, a leader manufacturing company in low, medium and high pressure equipment, worked together to create the conceptual design of a extremely large vacuum insulated cryostat (20 x 20 x 40 m). The project has been developed taking care of both structural and erection aspects. EnginSoft worked out the best solution in terms of main structure and supports and performed the related numerical verifications, while Brembana took care of the implementation issues like the production cycle, laboratory pre-assembly, transport on site and finalization of the entire assembly. The final designed solution boasts a very low total dissipation (around 5000 W), is light and modular, allowing for individual pre-assembled and pre-tested blocks. Moreover the structure is conceived to pour dirty liquid argon inside the structural beams and panels, in order to increase the cooling capacity. Fig.1 - FAR DETECTOR in DUSEL (Deep Underground Science & Engineering Laboratory) in Lead, South Dakota Gli esperimenti sulla misura della massa e delle altre proprietà delle particelle atomiche, in particolare dei neutrini, sono fondamentali per comprendere la fisica che governa l evoluzione dell universo. A questo proposito il FERMILAB di Chicago sta studiando un nuovo acceleratore di protoni ad alta intensità per sviluppare il Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE). Le dimensioni della detection chamber sono le più grandi ad oggi mai pensate. I progetti portati al vaglio per la scelta della soluzione ottimale consistono in due soluzioni che prevedono una diversa modalità di isolamento termico: 1) Criostato ad isolamento passivo 2) Criostato ad isolamento a vuoto L Università della California (UCLA), sotto la supervisione del Prof. Sergiampietri del CERN, ha commissionato la fase di progettazione concettuale della seconda tipologia di Criostato a EnginSoft e Brembana Costruzioni Industriali. È infatti proprio il professor Sergiampietri (basandosi sull esperienza maturata nel progetto ICARUS del CERN) a detenere la paternità dell idea di utilizzare l isolamento a vuoto per il nuovo criostato pensato come struttura modulare, costituita cioè da celle costitutive semplici, assemblabili in loco e facilmente trasportabili. L isolamento a vuoto consente di ottenere perdite termiche bassissime se comparate con quelle ottenute con qualsiasi isolamento passivo. EnginSoft e Brembana Costruzioni Industriali, azienda leader nel settore manifatturiero di strutture a bassa, media ed alta pressione, hanno lavorato a quattro mani per la progettazione del Criostato, curando sia gli aspetti di scelta e verifica numerica della struttura portante e dei supporti (a cura di EnginSoft) sia gli aspetti realizzativi, il ciclo di produzione, pre-assemblaggio in laboratorio, trasporto in loco e messa in opera del sistema (a cura di Brembana). In questo articolo si riporta il flusso di dimensionamento e verifica dell assieme dal punto di vista teorico-numerico, rimandando per eventuali domande relative ai cicli di produzione e assemblaggio ai riferimenti riportati alla fine dell articolo. La struttura del criostato, di dimensioni 20 x 20 x 40 m, è costituita da un inner vessel che contiene argon liquido alla temperatura di 88.92K (-185 C ), un outer vessel che provvede al mantenimento del vuoto tra l esterno e l inner vessel, e dei supporti di sostentamento tra inner ed outer

15 Fig.2 Criostato ad isolamento a vuoto Vacuum isolated Cryostat Fig.3 ¼ del modello FEM del Criostato ad isolamento a vuoto. Il modello sfrutta i due piani verticali di simmetria ¼ of the Vacuum isolated Cryostat FEM model. The model makes use of the two vertical planes of symmetry. vessel (rigidi sulla base e elastici sulle facce laterali) in grado di consentire il movimento tangenziale relativo tra i due vessels a causa del gradiente termico e di aiutare le facce dell outer vessel a supportare la pressione atmosferica esterna (le facce laterali misurano infatti 20 x 20 m e 20 x 40 m). La fase di progettazione ha seguito fasi cicliche a partire dallo studio teorico, alla messa a punto dei modelli numerici, allo studio di realizzabilità. Il punto di partenza della progettazione è stato l analisi dell inner vessel, ed in particolare il dimensionamento della forma e delle dimensioni del singolo pannello, e successivamente delle structural beams che attraversano il volume di argon liquido. Il materiale scelto per la realizzazione dei componenti strutturali è l AISI 304. In Figura 4 si riportano alcune delle diverse tipologie di pannello analizzate. Gli spessori delle lamiere, il lato e l altezza del pannello, sono stati studiati in maniera parametrica al fine di garantire la resistenza dello stesso sotto il carico più gravoso (pannello sul fondo dell inner vessel) in rispetto delle normative ASME, ma anche per ottenere il minimo peso e quindi l utilizzo del minor quantitativo di materiale possibile. Secondo la normativa si deve infatti Fig.4 diverse tipologie di pannello per l inner vessel Different panel typologies for the inner vessel Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-15 comparare la tensione membranale generale primaria (tensione membranale purificata dalle tensioni termiche e di congruenza) con il carico ammissibile σm. σm è assunta pari a 5/8 della tensione di snervamento σyielding. La somma della tensione di membrana e flessionale è stata comparata con 1.5xσm. Al fine di rispettare le normative ASME, la tensione di snervamento è stata assunta a temperatura ambiente (in via cautelativa) e non a quella di esercizio (-185 C). In questo modo, per la progettazione preliminare, la tensione di membrana+flessione è stata paragonata con 211 MPa. A valle delle simulazioni parametriche in ANSYS dei vari tipi di pannello sotto la pressione massima (pannello di fondo), la scelta finale per il singolo pannello dell inner vessel è caduta sull ultima tipologia riportata in Figura 4, con il lato del pannello quadrato di 4,5 m ed un altezza di 0,5 m, con 4x4 irrigidimenti trasversali; allo stesso modo sono stati determinati gli spessori in grado di garantire resistenza strutturale e minimo peso. Questa tipologia di pannello consente, infatti di interporre nell intercapedine tra le lamiere un eventuale materiale isolante oppure di creare il vuoto e ridurre ulteriormente le perdite termiche a discapito di una relativamente maggiore complessità realizzativa delle saldature (comunque limitate dalla scelta di soli 4 irrigidimenti trasversali). Il singolo pannello dell inner vessel è stato inserito quindi nel modello FEM realizzato in ANSYS dell intera struttura dell inner vessel (rappresentata per ¼, grazie alla doppia simmetria rispetto ai piani verticali). I pannelli sono stati considerati tutti uguali rimandando ad una fase successiva di progettazione di dettaglio la diversificazione degli spessori in funzione della quota, al fine di ottimizzare ulteriormente il peso del materiale utilizzato (visto che la pressione dell argon è massima sul fondo e decresce con la quota). A seguito di un ciclo di studio sulle structural beams, si è scelta la sezione rettangolare (per consentire la saldabilità della beam con il pannello) con lato 0,5 m e con uno spessore di 35 mm. Passando quindi ad analizzare l outer vessel, si è scelto, per motivi costruttivi, di avere il singolo pannello dell outer con forma topologicamente uguale a quello dell inner. Gli spessori sono però ovviamente diversi e sono stati scelti a valle di un analisi FEM parametrica sull intera struttura di inner e outer vessel, caricata con la pressione e la temperatura del l argon liquido sull inner vessel, la temperatura ambiente e la

16 16 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 pressione atmosferica sulla pelle esterna dell outer vessel. Tra inner ed outer vessel sono state interposte delle molle precaricate spring assembly-(ad eccezione della faccia di fondo), con precarico variabile, a seconda della posizione spaziale della singola molla (massimo precarico sulla molla nel centro delle facce e minimo nella periferia). Le molle sono disposte in corrispondenza dei vertici dei singoli pannelli. Il valore di precarico massimo e minimo delle molle e la loro rigidezza (pensata uguale per tutte le molle per motivi di approvvigionamento) sono stati determinati in via parametrica in modo da garantire la corretta resistenza strutturale dell outer vessel. Lo spostamento relativo tangenziale tra inner ed outer vessel è stato considerato libero ai fini della simulazione FEM in ANSYS dell intera struttura. In seguito si vedrà come questo sia stato fisicamente realizzato. Nell intercapedine tra inner ed outer vessel sulla faccia di fondo sono stati inseriti dei supporti rigidi (insulator supports) che garantissero però la libertà di scorrimento tangenziale (il piede nel centro della faccia di fondo è considerato incastrato e blocca quindi l outer vessel rispetto all inner vessel). Il raccordo tra le varie facce dell outer vessel è stato studiato fino ad arrivare alla scelta della forma cilindrica, in grado di rendere più flessibile la struttura e consentire alle facce di lavorare in modo più uniforme. Il cilindro è stato sostituito da uno spigolo in corrispondenza del raccordo con la faccia di fondo, come mostrato in Fig.7, in quanto con un raccordo cilindrico il peso delle facce laterali avrebbe gravato eccessivamente sulla prima linea di supporti causando un momento flettente (dovuto alla distanza δ). Per questa ragione si è deciso di inserire una riga addizionale di supporti con un raccordo a spigolo in corrispondenza della faccia di fondo dell outer vessel. Fig.5 - modello FEM completo (1/4 della struttura grazie alla doppia simmetria rispetto ai piani verticali) Complete FEM model (1/4 of the structure, thanks to the double symmetry with respect to the vertical planes) Lo stesso modello FEM è stato poi studiato nella fase di precarico in cui l argon liquido non è ancora presente e la struttura (tutta a temperatura ambiente e a pressione atmosferica) è caricata dal solo precarico delle molle. Una volta determinati gli spessori dell outer vessel, i valori di precarico massimo e minimo e la rigidezza delle molle (rigidezza=29,5 MN/m e massimo precarico=2,65 MN) che garantissero la resistenza strutturale dell assieme sia in condizioni operative che di precarico, si è passati alla progettazione concettuale di insulator support e spring assemblies, prendendo in esame quello che risultava più caricato secondo l analisi FEM. Per quanto concerne l insulator support (figura 8), al fine di garantire la resistenza strutturale del componente anche in criogenia e, allo stesso tempo, una bassa dissipazione termica attraverso il supporto, si è scelto come materiale realizzativo il composito in resina epossidica G-10CR, che unisce ottime proprietà meccaniche ad una bassa conducibilità termica. La capacità di scorrimento trasversale è affidata a due piastre in AISI 304 con interposto uno strato di disolfuro di molibdeno o lubrite G10 che garantisce un coefficiente di attrito 0.1, in grado di lavorare anche in criogenia. Lo studio delle dimensioni di ogni parte dell insulator support è stato effettuato tramite sub-model dal modello FEM completo, realizzando un modello FEM in ANSYS del supporto più caricato e di una porzione rappresentativa di inner ed outer vessel, in modo da verificare la resistenza strutturale e l effettiva capacità di scorrimento. Il modello è stato caricato anche con il campo di temperature ottenuto dall analisi termica sull assieme, al fine di tener conto anche dello stato tensionale derivato dal gradiente termico. Tale analisi consente inoltre di calcolare la potenza termica dissipata dal singolo supporto. Fig.6 - tensione equivalente di Von Mises sul modello completo Von Mises stress on the complete model Per quanto riguarda lo spring assembly, un notevole problema è stato quello di trovare molle che garantissero la rigidezza richiesta, il voluto precarico massimo e che potessero resistere al massimo carico operativo (calcolato nel modello FEM globale sopra citato) e che al contempo potessero lavorare alla temperatura di esercizio ed essere contenute in

17 Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-17 Fig.7 - Spigolo di raccordo sulla faccia di fondo dell outer vessel Connection corner on the outer vessel back face Fig.8 - Insulator support uno spazio relativamente ristretto (intercapedine tra inner ed outer vessel). Dopo aver analizzato le soluzioni proposte da diversi fornitori di molle, la scelta è ricaduta su una pila di molle a tazza disposte con la sequenza di impilamento come riportato in Figura 9, affiancate da un blocco di lubrite G10- CR e dalle piastre in AISI 304 con interposto uno strato di disolfuro di molibdeno o lubrite G10 (come già esposto per l insulator support). Anche nel caso dello spring assembly è stato realizzato un sub-model FEM del gruppo risultato più caricato dall analisi sul modello globale, al fine di verificarne la resistenza strutturale, anche inserendo il campo di temperatura derivato da un analisi FEM termica, che ha consentito di valutare la potenza dissipata dallo spring assembly. La struttura intera del criostato così progettata ha una dissipazione totale di circa 5000 W, molto bassa se si tiene conto delle reali dimensioni della struttura ed ancora riducibile in fase di progettazione di dettaglio a seguito di cicli di ottimizzazione più spinti sui singoli componenti. Anche il peso della struttura, già relativamente basso, può essere ulteriormente diminuito a valle di un ottimizzazione degli spessori dei pannelli con la quota (dal momento che la pressione del liquid argon descresce con la quota), possibile in una fase di progetto di dettaglio ed effettuabile in seguito alla scelta del posizionamento di Fig.10 - Gli ingegneri di EnginSoft e Brembana Costruzioni Industriali: (da sinistra) Valentina Peselli; Daniele Calsolaro; Marco Rottoli; Marco Celok The EnginSoft & Brembana Costruzioni Industriali Team members: (from left) Valentina Peselli; Daniele Calsolaro; Marco Rottoli; Marco Celok eventuali fori di passaggio cavi, passi uomo,etc. La struttura, inoltre, per come è stata concepita, consente la possibilità di inserire dirty liquid argon all interno delle structural beams e dei pannelli, in modo da aumentare la capacità di raffreddamento. La modularità dell assieme inoltre garantisce la realizzabilità di singoli blocchi pre-assemblabili e testabili separatamente. Valentina Peselli, Daniele Calsolaro - EnginSoft Marco Rottoli, Marco Cielok - Brembana Costruzioni Industriali Per maggiori informazioni: Valentina Peselli - EnginSoft info@enginsoft.it Fig.9- Spring Assembly

18 18 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 Riduzione degli scarti grazie all ottimizzazione del processo di pressocolata Gli inglobamenti d aria sono la principale causa di scarto nel processo di pressocolata, in questo studio si è cercato di ottimizzare il sistema di colata Dealing with highly competitive markets is a costant battle. Being successful as a supplier often depends on the cost of production, delivered quality, time to market and sometimes also on product and/or process innovation. In this context, the challenge lays in the design phase and its crucial role in evaluating possible product and process solutions before the equipment and parameters are defined. The following case study presents the development of a diecasted radiator made by the Italian Gruppo Ferroli which is an European market leader in house heating solutions and components. EnginSoft s expertise supported the Gruppo Ferroli on product and die design fine tuning with a focus on the following goals: to minimize structural defects (primarily thermalpressure resistance) to improve aesthetics and quality perceived by final user; to minimize risk of air inclusion, a typical cause for rejection in die-casting process; to maximize the capacity of the mass production line; for the latter, a new gating has been designed and developed. Le attuali condizioni di mercato impongono alle realtà produttive tempi di risposta compressi, elevate caratteristiche qualitative e prezzi competitivi. Per assolvere a queste richieste è fondamentale ridurre al massimo gli sprechi di produzione, comprimendo il più possibile i tempi di progettazione/realizzazione del prodotto. In questo contesto la progettazione prodotto/processo assume un ruolo di considerevole importanza, è infatti in questa delicata fase dove vengono valutate le soluzioni efficaci per la realizzazione delle attrezzature e dei parametri di processo adeguati. Sviluppo ed ottimizzazione di un processo produttivo significa identificare le variabili che maggiormente influiscono sulle caratteristiche del prodotto valutandone gli effetti. Questo può essere perseguito attraverso un approccio al lavoro di progettazione che include la simulazione di processo. Il caso proposto riguarda la produzione di una specifica linea di radiatori progettati e prodotti dal Gruppo Ferroli. Il lavoro svolto ha visto il coinvolgimento di EnginSoft nell attività di progettazione delle nuove attrezzature al fine di ridurre al massimo gli scarti presenti nella linea produttiva incrementando al massimo la qualità Estetica e di Tenuta del prodotto. Lo studio svolto ha avuto come obiettivo principale la ricerca del miglior sistema di colata in grado ottenere la massima qualità del componente per quanto riguarda il rischio di inglobamenti d aria, principale causa di scarto nel processo di pressocolata in produzione, ponendo massima attenzione anche sull efficienza produttiva. Il risultato della sinergia fra il Gruppo Ferroli ed EnginSoft ha determinato il successo fin dalle prime battute permettendo un rapido avvio della produzione. Introduzione Il settore del termoarredo ha raggiunto un indiscussa importanza nel settore dell arredo e del design. I corpi scaldanti sono protagonisti del living contemporaneo, esclusivi complementi d arredo che donano stile ed eleganza a qualsiasi ambiente e tipo di arredo. Forme ricercate che corrispondano alle richieste estetiche sempre più esigenti e di maggior attrazione per l utente devono sposarsi intimamente con le caratteristiche tecnologiche imposte dalle normative attuali, garantendo risparmio energetico e riduzione di immissioni. Tali condizioni indirizzano sempre più la ricerca verso sistemi performanti con rese elevatissime in grado di sfruttare al massimo le attuali caratteristiche dei sistemi di generazione di calore. Il quadro si completa con la necessità di rispondere alle esigenze dei mercati in tempi rapidi in maniera efficace e

19 Newsletter EnginSoft Year 9 n 1-19 Fig. 1 - (a) Progettazione dello stampo per la produzione originale, (b) foto dello stampo già modificato nel tassello di colata Design of the die for the original production (b); a picture of the already modified die in the die slide garantendo competitività sia dal punto di vista qualitativo che economico, adottando le tecnologie produttive più efficaci. Di fronte a questo scenario risulta evidente come l attività di progettazione del processo-prodotto risulti determinante dovendo garantire, oltre alle caratteristiche estetico-meccaniche dell oggetto, la massima riduzione di sprechi o scarti e la realizzazione del prodotto in tempi decisamente contenuti. Le caratteristiche meccaniche e la qualità estetica dei moduli per radiatori sono intimamente connesse al sistema produttivo adottato che, nel caso specifico, per produzioni in alluminio con spessori particolarmente sottili, corrisponde al processo di pressocolata. Similmente agli altri processi di colata, anche quello in alta pressione può generare difetti che possono ridurre la qualità estetico-meccanica del prodotto fino al limite di determinarne lo scarto. Le velocità particolarmente elevate che governano il processo influenzano la dinamica di riempimento, caratterizzandolo con elevati effetti di turbolenza che possono comportare la formazione di inestetismi superficiali degradando fino a veri e propri inglobamenti d aria o mancati riempimenti. Pur essendo un processo altamente automatizzato, la pressocolata denota una molteplicità e variabilità di parametri che non consentono la semplice individuazione delle cause che generano un micro o un macro difetto. Ad esempio, la formazione di un giunto freddo o di un inestetismo superficiale critico, sino al mancato riempimento, possono derivare da una serie di concause di processo che, se identificate, permettono di individuare gli interventi correttivi. Per la produzione di massa risulta fondamentale la ricerca della soluzione ottimale, sia in termini qualitativi che di efficienza produttiva: la riduzione di pochi secondi del tempo ciclo si ripercuote positivamente sul numero di pezzi prodotti giornalmente; la minimizzazione della quantità di lega di iniettare per il singolo pezzo abbatte i costi di materia prima, di energia e riciclo; pochi punti percentuale nella riduzione dello scarto si può tradurre in interessanti vantaggi economici; infine, il prolungamento della vita delle attrezzature riduce l incidenza sul costo del singolo pezzi. Le tecniche di ottimizzazione multi-obiettivo, come quelle applicate in questo caso, supportano adeguatamente la determinazione della soluzione ottimizzata e robusta che deve soddisfare tutti questi obiettivi spesso fra loro contrastanti. L elevata conoscenza dei difetti e l opportuna interpretazione dei risultati virtuali è un prerequisito fondamentale all uso di simulazione e algoritmi di ottimizzazione. Il documento sulla classificazione dei difetti pubblicato da AIM (Associazione Italiana di Metallurgia) fornisce un valido contributo per la valutazione di tali problematiche fornendo notevoli spunti di riflessione e risulta essere un buon punto di partenza per affrontare uno studio avanzato che permetta di determinare le cause di scarto dei componenti prodotti. Il modulo Radiatore 350, oggetto di questo articolo, è un componente prodotto dal Gruppo Ferroli ad elevato impatto estetico, prodotto su stampo monoimpronta, che presenta in origine notevoli problematiche produttive, determinando un elevato scarto. Al fine di contenere i costi di produzione e migliorare la qualità estetica e di tenuta a pressione del particolare risulta opportuno verificare la fase di progettazione processo prodotto, per poter introdurre delle azioni correttive adeguate nella realizzazione del nuovo stampo. Simulazione e ottimizzazione del processo di pressocolata La fase di riprogettazione del processo produttivo segue il normale iter che viene affrontato da un buon Project Manager, avvalendosi in questo caso di un sistema virtuale di simulazione del processo produttivo. Lo schema operativo può essere sintetizzato come segue:

20 20 - Newsletter EnginSoft Year 9 n 1 Fig. 2 - Distribuzione delle temperature del metallo durante il riempimento in due differenti istanti Metal temperature distribution during die filling at different times Fig. 3 - Criterio Airpressure : criterio che fornisce indicazione della presenza d aria inglobata all interno del getto The air-pressure criterion provides information about the air inside the casting A. Diagnosi del progetto originale: simulazione del processo nella versione originale e successivo confronto con la produzione reale. B. Soluzione progettuale: ottimizzazione del processo di pressocolata avente lo scopo di migliorare la qualità del componente pressocolato riducendone gli scarti. C. Realizzazione del progetto: costruzione e lavorazione delle parti stampanti. D. Collaudo e approvazione: esecuzione della campionatura reale definitiva al fine di validare il processo. Questo studio segue le quattro fasi sopra descritte sino all analisi di costi-benefici espressa dal produttore nelle conclusioni. Simulazione del processo nella versione originale L analisi virtuale di riferimento della produzione in atto permette di ottenere i primi risultati tangibili identificando le molteplici cause che determinano il valore di scarto con l opportuna selezione dei criteri di qualità virtuali in accordo con le indagini di laboratorio effettuate sui particolari prodotti dal Controllo Qualità. Lo studio, svolto nel rispetto dei parametri reali di produzione, mette in evidenza le possibili cause dei difetti riscontrati in produzione. L analisi fluidodinamica del processo evidenzia infatti un andamento piuttosto turbolento del flusso determinando l insorgere di inglobamenti d aria (Fig. 2). In particolare è possibile verificare come le zone affette dalle più marcate porosità, riconducibili ad inglobamento d aria, siano quelle poste nel lato a vista del pezzo (Fig. 3). La generazione di cavità isolate lontane dalla linea di divisione comporta l inevitabile inglobamento d aria tanto più critico quanto più la dimensione della cavità è grande. L obiettivo del progettista è la determinazione della giusta configurazione geometrica di colata e la corrispondente curva di iniezione, in accordo con le potenzialità della pressa prescelta, che permetta al fronte di metallo di spingere il più possibile l aria verso le linee di divisione delle parti stampanti e all interno dei pozzetti. Pur se presenti notevoli differenze di spessore, si pensi alla dimensione delle alette (molto sottili) rispetto ai mozzi (particolarmente massivi), la fase di solidificazione