Numerical modeling of mold-filling process in High Pressure Die Casting using OpenFOAM

High pressure die casting (HPDC) is an important process in the manufacturing of high volume and low cost automotive components, such as automatic transmission housings and gear box components. It is well known that porosity is the main defect in die-castings, and porosity can seriously damage mechanical properties of die-castings. Predicting the sizes of gas entrapment defects accurately is highly significant for HPDC production to predict the gas entrapment defects accurately. Therefore, to obtain high-performance castings, it is extremely important to observe the die casting filling process and predict the air entrapment. Thus, the filling process can be improved, and the defects rate can be reduced by changing the gate system and venting system at the mold level according to melt flow observed in mold. Two prevalent numerical approaches for simulating these fluid flows are the Volume of Fluid (VOF) method and the Lagrangian Particle tracking (LPT). The VOF method represents the fluid interface by tracking the volume fraction of each fluid within a fixed Eulerian grid, offering precise interface capturing and handling of surface tension effects. However, VOF can struggle with simulating the complex, highly transient flows whichare characteristic of the HPDC due to numerical diffusion and challenges in interface reconstruction. In contrast, the LPT models fluids as discrete particles, which are traced through a computational domain, inherently capturing complex, free-surface flows and fluid fragmentation common in HPDC. This particle-based approach can better handle large deformations and flow discontinuities, offering advantages in predicting air entrapment and surface defects. However, it may require extensive computational resources due to the large number of particles needed for accurate simulations. This project compares the efficacy of VOF and LPT in HPDC simulations, highlighting their respective strengths and weaknesses. The study underscores the importance of method selection in achieving accurate, reliable predictions in the dynamic environment of high-pressure die casting.

HPDC è un processo importante nella produzione di componenti automobilistici ad alto volume e a basso costo, come alloggiamenti di trasmissioni automatiche e componenti di scatole del cambio. È noto che la porosità è il principale difetto dei pressofusi e può danneggiare gravemente le proprietà meccaniche dei pressofusi. Prevedere accuratamente le dimensioni dei difetti di intrappolamento del gas è estremamente importante per la produzione di HPDC per prevedere accuratamente i difetti di intrappolamento del gas. Pertanto, per ottenere getti ad alte prestazioni, è estremamente importante osservare il processo di riempimento della pressofusione e prevedere l’eventuale intrappolamento dell’aria. Pertanto, il processo di riempimento può essere migliorato e il tasso di difetti può essere ridotto modificando il sistema di iniezione e il sistema di ventilazione a livello dello stampo in base al flusso di materiale fuso osservato nello stampo. Due approcci numerici prevalenti per la simulazione di questi flussi di fluidi sono il metodo del volume del fluido (VOF) e il tracciamento delle particelle lagrangiane (LPT). Il metodo VOF rappresenta l'interfaccia del fluido tracciando la frazione di volume di ciascun fluido all'interno di una griglia euleriana fissa, offrendo una precisa acquisizione dell'interfaccia e la gestione degli effetti della tensione superficiale. Tuttavia, il VOF può avere difficoltà a simulare i flussi complessi e altamente transitori caratteristici dell'HPDC a causa della diffusione numerica e delle difficoltà nella ricostruzione dell'interfaccia. Al contrario, l'LPT modella i fluidi come particelle discrete, che vengono tracciate attraverso un dominio computazionale, catturando intrinsecamente flussi complessi, a superficie libera e frammentazione dei fluidi comuni nell'HPDC. Questo approccio basato sulle particelle può gestire meglio grandi deformazioni e discontinuità del flusso, offrendo vantaggi nella previsione dell’intrappolamento dell’aria e dei difetti superficiali. Tuttavia, potrebbe richiedere estese risorse computazionali a causa del gran numero di particelle necessarie per simulazioni accurate. Questo progetto mette a confronto l'efficacia di VOF e LPT nelle simulazioni HPDC, evidenziandone i rispettivi punti di forza e di debolezza.