a speech by Vera Benincasa

Simulating processes has been mandatory in many companies from the most diverse manufacturing sectors for years. One only need think of the aviation industry where companies must be absolutely certain that the components produced have no micro-structural defects whatsoever and where a rejected part cannot be re-processed. 
Casting process simulation identifies areas subject to defects and helps to design the casting system in the most efficient manner. It also allows the causes of any inefficiency to be analysed and to understand how to increase productivity.
This system has been used for over twenty years in smelting processes in the automotive and aerospace industries and for some years now, it has also been adopted by our sector. 
In the jewellery world, lost wax micro-casting has always been linked to operator experience or trial and error. Nowadays, simulation software can optimize the entire process starting from the very first prototype design to the mass production of jewellery items. 

The micro-casting process is one of the oldest methods for producing many types of article.
Different peoples and cultures used this process to produce tools, objects and statues in bronze. One very famous example is the Bronze Riace Warriors that were salvaged from the sea in 1907, 2500 years after they were made in Greece in the sixth century BC.
The process developed over the centuries, evolving from a simple artistic method and demonstrating exceptional versatility.
Micro-casting, or lost wax casting, has been used for many years in the automotive and aerospace technology sectors, however, this process, although highly reliable, still presents defects.  

In the jewellery world, the most common and problematic defects are:
– incomplete filling of the cast
– porosity by retraction.
While cases of the first type of defect are limited to specific kinds of production (filigree, particular alloys, complex geometries…), the second can be found in all micro-cast products because it is intrinsically linked to the solidification process of the metal alloy.

It is on this latter category of defect that we will be focusing our attention.
Up until a few decades ago, “Trial and Error” was the obligatory method of trying to solve the problem of porosity by retraction.
With practice and experience, the aim was to minimize and hide the defect.
In order to obtain a commendable result, modest amounts of time and metal needed to be invested.
Simulating the process in a virtual environment minimizes this investment and achieves a better result in less time.

Nowadays, simulation software has reached a high level of precision so that excellent results can be obtained in terms of product development times and the production process can be improved.
The use of casting process simulation software in the jewellery sector is relatively recent although it is constantly on the increase due to the growing request for quality on the part of the big jewellery companies.

Simulation software works when there is a deep knowledge of the entire process. For this reason, the more it is used, the more information will be available to configure the process and the more the results provided by the software will correspond to industrial needs.

The software used for this study is produced by the French ESI Group and is called ProCAST.
It is an advanced and complete tool and has been on the market for over 20 years. It is widely used in various industrial fields. The software is based on finite element technology and is able to simulate a long list of real processes. This study focuses on the module for simulating the lost wax casting process.

A knowledge of metallurgy and the production process is necessary to be able to use the software to its best advantage. With the help of the SW, the process technologist can work out the best conditions for a reliable and robust micro-casting process.

The software consists of the following environments:
– MESH
– CAST
– VISUAL

MESH is the environment in which our object, starting from the CAD model, is broken down into minor elements (mesh) that the then software uses to understand the points on which to calculate the thermal exchange and solidification equations. The operator decides on the size of the mesh in accordance with various factors. Besides the object of our study, the mould into which we will be casting the metal in order to accurately simulate our process must also be designed and “meshed”.

CAST is the environment where all the parameters to be taken into account in our process are inserted: type of alloy, process temperature, pressure of the metal as it goes into the mould, entry section, thermal exchange, radiation phenomena, etc…

VISUAL is the ideal environment for observing and measuring the simulation results and, depending on what is being analysed and measured, different physical measurements can be viewed (temperature range, solid fraction, voids, porosity, flow speed, etc…)
With the help of Procast, it is extremely easy to foresee where the defects of a particular micro-cast will be and how large these defects effectively are.

Thanks to the software, we can quickly and fully investigate the porosity by retraction defect.

The problem of porosity by retraction is strictly correlated to the solidification concept. In fact, porosity by retraction occurs when the metal status turns from liquid to solid: the metal undergoes a volumetric contraction and, where the volume retracts, dendritic structures, which can become larger as the alloy hardens, can emerge on the surfaces.

Dendrites are tree-like structures that form during metal alloy solidification. The metal forms crystals that grow and solidify in the most energetically favourable crystallographic directions. If cooling is fast, dendrite growth is limited. On the other hand, if cooling is slow, the dendrites will be larger and, in the worst scenarios, visible to the naked eye in the volumetric retraction zone.

Volumetric contraction is intrinsic to the solidification process and therefore, porosity by retraction is an inevitable defect in the casting process.
Porosity by retraction cannot be eliminated but it can be conveyed to strategic points by encouraging directional solidification.

When a metal alloy solidifies, the last volume to do so, that is, the one that stays “hot” the longest, will be the part that contains porosity by retraction.
In designing a casting system, it is therefore essential to study the thermo-dynamic factors that lead to controlled solidification: the casting channels, feeders and risers are to be designed and sized so as to be able to correctly feed the piece being produced and, at the same time, “keep” retraction out of the areas of interest.

To study the solidification of micro-cast objects, it is important to consider the cooling module.
The cooling module, or thermal module, is given by the ratio between mass and surface of an object M=V/S.
Starting with volume, if the surface of the object is greater, solidification time will drop drastically. Solidification time depends on M and also on the type of material and the object’s geometry.
Studying solidification time is essential for shifting the direction of solidification. 

Let’s take a very simple object, such as a wedding band, for example.
Being circular and symmetrical, the point in which we put the feeder is of no importance. What is important, however, is the feeder’s section and geometry.
Below is an example of the solidification simulations of the same ring with three different feeders in ascending section size.

As can be seen in the picture above, the feeder with the largest section tapered towards the metal entry section is the one that fills the cast and directs ring solidification correctly. 

As further evidence of the correctness of feeder 3’s design, we can see, again by simulation, a reduction in porosity (in purple) in the diagrams below.

Now let’s look at another simple ring geometry, but this time with a variable section.

In this case, since the geometry is not symmetrical, the point at which we feed the ring is of fundamental importance. Figure 7 below shows the progress of solidification based on the point chosen for positioning the cast feed.

Solidification observed in the previous figure leads to porosity in the areas highlighted in figure 8.

The results can be verified by observing the actual components cast. When using simulation software, it is extremely important to calibrate the reliability of the software with one’s own casting process.  
The photographs below show the surfaces of the ring analysed and cast with the two different feeder positionings:

Similarly, taking a larger object, we can see that the same directional solidification rules can be applied in this case too.
The figure being examined is a “C” which could be used to make half a bracelet.

In the first example, let’s consider the item with the same type of feed but cast with different parameters. The response variation to the change in temperature, both in the mould and in casting, is particularly notable.

As can be seen from the diagrams, as the temperature rises, the size of the porosities decreases. This happens because the metal is given more time to solidify in a directional manner. In this case, however, only modifying the process parameters does not solve the problem at the root.
It is therefore necessary to modify the feed. Let’s look at two different feeds.

The figure below shows the simulation of the solidification process in both cases.

Analysing the figure on the left, it can be noted that the six feed spokes are solidifying before the bracelet itself has solidified (as in the previous example), thus “blocking” the way for the metal to continue to feed the object correctly. In the figure on the right, however, we can see how the four spokes are feeding the piece well, resulting in a directional solidification towards the heart of the column.

Evidence of the efficiency of type B feeding position can be given by analysing the porosity.
In figure 16, it can be noted how, in case B, the object has no porosity, while in case A, there are six porosity nuclei exactly where the metal took longer to cool.

The accurateness of these simulations is shown in the photographs below.

The analysis of these simple geometries demonstrates the validity of simulation. The software can precisely predict which areas will be affected by defects and their size.
The micro-casting simulation process is a useful tool for the technologist who cannot totally eliminate the “Trial and Error” process but can limit it in the virtual simulation environment, thus reducing product industrialization times and costs.

The fundamental tool for using casting simulation software is CAD 3D modelling.
In fact, as already mentioned, in order to be able to simulate the casting process, it is absolutely necessary to start from a 3D model of both the casting system we want to simulate and the mould in which we will be casting the metal.
The more accurate the initial model is, the more accurate the simulation results will be.
Moreover, CAD modelling offers the advantage of being able to rapidly design and simulate various types of feeding points and casting systems.
By simulating different feeding points, we can find the best one for our item.
By carrying out casting simulation at the beginning of the design process, it would immediately be possible to identify errors in the design and intervene by modifying the model’s geometry.   
If modifying the item is not possible, then acting on the other parameters (feeding, process parameters, etc..) will become necessary.

Once the importance of simulating each individual detail has been understood, new possibilities for more complex casting systems can be explored. By simulating an entire casting tree, for example, it is possible to analyse the entire process and optimize it.

In conclusion, introducing this technology into the jewellery supply chain is undoubtedly helpful for moving towards better production performances and benefits companies that want to use additional forces and means in their production processes.

Resources and study are needed to take best advantage of this technology. Nevertheless, the benefits resulting from its usage (savings in time and means as well as the effectiveness of the results obtained) eliminate every uncertainty. In time, this will be the only way to proceed in jewellery industrialization, as has already happened in other production sectors.

una relazione di Vera Benincasa

Simulare i processi è da anni obbligo in molte realtà dei più disparati settori produttivi, basti pensare al settore aeronautico dove è necessario essere certi che i componenti prodotti siano esenti da difettosità microstrutturali anche minime e dove un pezzo di scarto non può essere rilavorato.
La simulazione dei processi di colata consente di identificare le aree soggette a difetti e aiuta a progettare il sistema di colata nel modo più efficiente, consente di analizzare le cause di inefficienza e di comprendere come aumentare la produttività.
Questo sistema è utilizzato da più di vent’ anni nei processi di fonderia legati al settore automotive e aerospace, ma da qualche anno si è avvicinata anche al nostro settore.
Nel mondo orafo la microfusione a cera persa è sempre stata legata all’esperienza degli operatori oppure ad operazioni di trial and error.
Oggi, con i software di simulazione, si può ottimizzare tutto il processo a partire dal primissimo disegno del prototipo fino alla produzione in massa dei gioielli.

Il processo di microfusione è uno dei più antichi metodi per la produzione di manufatti di svariato genere.
Popoli e culture diverse hanno impiegato questo processo per la produzione di strumenti, oggetti e statue in bronzo. Un esempio famosissimo sono i bronzi di Riace, ritrovati in mare nel 1907 dopo 2500 anni dalla loro produzione nella Grecia del VI secolo a.C.
Nel corso dei secoli, il processo si sviluppato, evolvendo da semplice metodo artistici e dimostrando una eccezionale versatilità.
La microfusione, o fusione a cera persa, viene utilizzata da tantissimi anni nei settori tecnologici dell’ automotive e dell’ aerospace tuttavia tale processo, benché molto affidabile, non è esente da difetti.

Nel mondo del gioiello i difetti più diffusi e più problematici sono sicuramente:
– mancato riempimento del getto
– porosità da ritiro
Mentre per la prima tipologia di difettosità le casistiche sono limitate a produzioni specifiche (filigrane, leghe particolari, geometrie complesse, ..) la seconda è riscontrabile sul 100% dei prodotti microfusi poiché intrinsecamente legato al processo di solidificazione delle leghe metalliche.

È su quest’ultima categoria di difettosità che focalizzeremo la nostra attenzione.
Fino a pochi decenni fa, per affrontare la problematica delle porosità da ritiro era obbligatorio passare attraverso processi di “Trial and Error”.
Con pratica ed esperienza si puntava a minimizzare ed occultare il difetto.
Per arrivare ad un risultato apprezzabile era necessario investire modeste quantità di tempo e metallo.
Simulare il processo in un ambiente virtuale, consente di minimizzare questo investimento, giungendo in tempi ridotti ad un risultato migliore.

Oggi i software di simulazione sono giunti ad un alto livello di precisione consentendo di ottenere ottimi risultati termini di tempo di sviluppo del prodotto e consentendo di migliorare il processo produttivo.
L’utilizzo del software di simulazione del processo di colata nel settore orafo è relativamente recente ma in costante espansione a causa di una crescente richiesta di qualità da parte delle grandi case orafe.

I software di simulazione funzionano grazie alla conoscenza approfondita dell’intero processo, per questo motivo maggiore è il loro utilizzo, maggiori informazioni si hanno a disposizione per configurare il processo, maggiore sarà la rispondenza dei riscontri forniti dal SW alla realtà industriale.

Il software utilizzato per questo studio è della casa francese ESI Group e si chiama ProCAST.
Si tratta di uno strumento avanzato e completo, sul mercato da oltre 20 anni ed ampiamente utilizzato in diversi campi industriali. Il software si basa sulla tecnologia agli elementi finiti ed è in grado di simulare un lungo elenco di processi reali. Nel caso in studio l’attenzione è focalizzata sul modulo per la simulazione del processo di colata a cera persa.

Per poter utilizzare al meglio il software è necessario avere delle conoscenze di metallurgia e del processo produttivo. Il tecnologo di processo può con l’ausilio del SW studiare le migliori condizioni affinché il processo di microfusione sia affidabile e robusto.

Il software consta dei seguenti ambienti:
– MESH
– CAST
– VISUAL

MESH è l’ambiente all’interno del quale il nostro oggetto, a partire dal modello CAD, viene scomposto in elementi minori (mesh) che il software usa per sapere i punti ove calcolare le equazioni di scambio termico e di solidificazione. La dimensione delle mesh è scelta dall’operatore in base a diversi fattori. Oltre all’oggetto del nostro studio, bisogna disegnare e “meshare” anche lo stampo all’interno del quale andremo a colare il metallo per poter simulare in maniera accurata il nostro processo.

CAST è l’ambiente dove inserire tutti i parametri di cui tener conto nel nostro processo: tipo di lega, tipo di stampo, temperature di processo, pressione di ingresso del metallo nello stampo, sezione di ingresso, scambio termico, fenomeni di irraggiamento, etc..

VISUAL è l’ambiente idoneo all’osservazione e alla misurazione dei risultati della simulazione e in base a ciò che si vuole analizzare e misurare si possono visualizzare grandezze fisiche differenti (range di temperature, frazione solida, vuoti, porosità, velocità di flusso, ecc..)

Con l’ausilio di Procast è molto semplice prevedere dove saranno i difetti sul particolare microfuso e quali sono le entità effettive di questi difetti.

Grazie al software possiamo sviscerare in poco tempo il difetto della porosità da ritiro.

Il problema della porosità da ritiro è strettamente correlato al concetto di solidificazione. La porosità da ritiro, infatti, viene a crearsi quando il metallo passa dallo stato liquido allo stato solido: il metallo subisce una contrazione volumetrica e nella zona del ritiro di volume possono affiorare in superficie le strutture dendritiche che si accrescono in fase di solidificazione della lega.

Le dendriti sono strutture ad albero che si formano durante la solidificazione delle leghe metalliche. Il metallo forma cristalli che si accrescono e solidificano nelle direzioni cristallografiche energeticamente più favorevoli. Con un raffreddamento rapido l’accrescimento delle dendriti è limitato. Mentre con un raffreddamento lento si ottengono delle dendriti di dimensioni maggiori, nei casi peggiori visibili a occhio nudo nella zona del ritiro volumetrico.

La contrazione volumetrica è intrinseca al processo di solidificazione e, quindi, la porosità da ritiro è una difettosità inevitabile nel processo di fusione.
La porosità da ritiro non può essere eliminata, ma può essere veicolata in punti strategici promuovendo la solidificazione direzionale.

Nella solidificazione di una lega metallica, l’ultimo volume a solidificare, ovvero quello che rimane “caldo” per più tempo, sarà quello che conterrà le porosità da ritiro.
Nella progettazione di un sistema di colata è fondamentale, quindi, lo studio dei fattori termodinamici che portano ad una solidificazione controllata: i canali di colata, gli alimentatori e le materozze vanno studiati e dimensionati in maniera tale da riuscire ad alimentare correttamente il pezzo da realizzare e allo stesso tempo “trattenere” il ritiro fuori dalle zone di interesse.

Per studiare la solidificazione degli oggetti microfusi è importante considerare il modulo di raffreddamento.
Il modulo di raffreddamento, o modulo termico, è dato da rapporto tra massa e superficie di un oggetto M=V/S. A parità di volume, se la superficie dell’oggetto è maggiore, il tempo di solidificazione diminuisce drasticamente. Il tempo di solidificazione è una funzione di M, e dipende anche dal tipo di materiale e dalla geometria dell’oggetto. Studiare il tempo di solidificazione è fondamentale per veicolare la direzione di solidificazione.

Prendiamo ad esempio un oggetto molto semplice, come può essere una fede.
Avendo una geometria circolare e simmetrica il punto in cui andremo a mettere l’alimentatore non ha importanza. Ha importanza, però, la sezione e la geometria di quest’ultimo. Di seguito sono riportati come esempio le simulazioni della solidificazione della stessa fede ma con tre alimentatori a sezione crescente.

Come si può vedere nell’ultima immagine, l’alimentatore con sezione maggiore e rastremato verso la sezione di imbocco del metallo è quello che consente il corretto riempimento del getto e la solidificazione direzionale della fede.

A riprova della correttezza della progettazione dell’alimentatore 3 possiamo vedere, sempre dalla simulazione, la riduzione di porosità (in viola) nell’ultima immagine.

Prendiamo ora ad esempio un’altra geometria semplice di un anello, ma stavolta con sezione variabile.

In questo caso, essendo la geometria non simmetrica, il punto in cui andremo ad alimentare l’anello è di fondamentale importanza. Di seguito vediamo nella fig 5 l’andamento della solidificazione a seconda del punto dove si è scelto di mettere l’alimentazione del getto.

La solidificazione osservata nella figura precedente, conduce alla presenza di porosità nelle zone evidenziate nella figura 6.

I risultati possono essere verificati osservando i componenti fusi. E’ molto importante, nell’utilizzo dei software di simulazione, tarare l’affidabilità del software con il proprio processo di fusione.
Di seguito sono riportate le immagini delle superfici dell’anello analizzato e fuso con i due diversi posizionamenti dell’alimentatore:

Allo stesso modo prendendo in esame un oggetto di dimensioni maggiori, possiamo vedere che le stesse regole della solidificazione direzionale sono applicabili anche in questo caso.
La figura in esame è una “C” che potrebbe essere utilizzata per realizzare la metà di un bracciale.

Nel primo esempio prendiamo in considerazione il pezzo con la stessa tipologia di alimentazione ma fuso con parametri diversi. In particolare si può notare la variazione di risposta al variare della temperatura, sia di stampo che di fusione.

Come si può notare dalle immagini, al crescere della temperatura le dimensioni delle porosità decrescono. Questo avviene perché si da più tempo al metallo per solidificare in maniera direzionale. In questo caso, tuttavia, il solo variare dei parametri di processo non riesce a risolvere il problema alla radice.
È necessario, quindi, modificare l’alimentazione. Prendiamo in esame due tipologie di alimentazioni.

Di seguito possiamo vedere la simulazione del processo di solidificazione in entrambi casi.

Analizzando la figura a sinistra si può notare che i sei raggi di alimentazione stanno solidificando prima che il bracciale sia esso stesso solidificato (come nell’esempio precedente), “chiudendo” le strade al metallo per continuare ad alimentare correttamente il pezzo. Nella figura a destra, invece, si nota come i quattro raggi vadano ad alimentare bene il pazzo consentendo una solidificazione direzionale verso il cuore del piantone.

La riprova dell’efficienza dell’alimentazione tipo B è data dall’analisi delle porosità.
In figura 16 si può notare come nel caso B il pezzo sia esente da porosità, mentre nel caso A si riscontrino sei nuclei di porosità da ritiro esattamente dove il metallo ha raffreddato per ultimo sul pezzo.

Le evidenze di queste simulazioni sono riportate nelle immagini seguenti.

L’analisi di queste geometrie semplici dimostra la validità della simulazione. Il software è in grado di prevedere con precisione quali saranno le zone affette da difetti e l’entità di questi ultimi.
La simulazione del processo di microfusione è uno strumento utile al tecnologo che non elimina del tutto il processo di “Trial and Error” ma lo limita all’ambiente virtuale della simulazione abbattendo i tempi e i costi dell’industrializzazione del prodotto.

Lo strumento fondamentale per l’utilizzo del software di simulazione di colata è la modellazione CAD 3D.
Come si è già detto, infatti, per poter simulare il processo di colata è indispensabile partire da un modello 3D, sia del sistema di colata che vogliamo simulare sia dello stampo all’interno del quale andremo a colare il metallo.
Quanto più è accurato il modello di partenza, tanto più saranno accurati i risultati della simulazione.
La modellazione CAD offre anche il vantaggio di poter disegnare e simulare in tempi rapidi diverse tipologie di alimentazioni e di sistemi di colata.
Simulando diverse alimentazioni potremmo stabilire la più idonea al nostro particolare.
Prevedendo la simulazione di colata all’inizio del processo di progettazione, sarebbe possibile individuare da subito eventuali errori di design e intervenire modificando la geometria del modello.
Laddove non è possibile modificare il design del pezzo, si dovrà forzatamente andare ad agire su altri parametri (alimentazioni, parametri di processo, etc..) 

Una volta capita l’importanza della simulazione sul singolo particolare, è possibile esplorare nuove possibilità per sistemi di colata complessi.
Simulare un intero albero di fusione consente, ad esempio, di analizzare il processo nel suo insieme e di ottimizzarlo.

Concludendo l’introduzione di questa tecnologia nella filiera della creazione orafa è senza dubbio di aiuto alla transizione verso una produzione più performante e mette il “turbo” alle aziende che vogliono impiegare forze e mezzi per implementarla nei loro processi produttivi.

Per poter sfruttare al meglio questa tecnologia occorrono mezzi e studio, tuttavia i vantaggi risultanti dal suo utilizzo (il risparmio di tempo, mezzi e l’efficacia dei risultati ottenuti) abbattono tutte le incertezze. Nel tempo questo diventerà l’unico modo di procedere per industrializzare un manufatto orafo, così come già avviene in tutti gli altri settori di produzione.