© Wärtsilä

Valunkäytön seminaari 2018-04-05Laine JI

© Wärtsilä

MSc 1999 Tampere University of Technology, Materials Science

1998-2006 Research Engineer, Foundry Institute, TUT

2006-2012 Senior Foundry Expert, Manufacturing Technology Services/ME Finland

2012-2017 Senior Engine Expert, Power systems....2017- Chief Engine Expert, Castings, Engines R&D, Marine Solutions Wärtsilä

MagmaSoftin käyttäjä vuodesta 2009

Jarkko Laine

Chief Engine Expert, Castings

Wärtsilä Engines R&D/DAE/Component Expertise

© Wärtsilä Jarkko Laine3

WÄRTSILÄ OYJ

17,700 70 200Ammatilaista Maata Toimipistettä

Installed power

>185 000 MW

Moottoritehtaat:

Vaasa

Trieste

© Wärtsilä Jarkko Laine4

Marine solutions

© Wärtsilä Jarkko Laine5

WÄRTSILÄ in FINLAND

• Marine Solutions

• Energy Solutions

• Services

• R&D

Helsinki 300Turku 350

Vaasa 2 500

VAASA

• Engine manufacturing

• R&D

• Testing

• Support functions

© Wärtsilä Wärtsilä Suomessa6

Wärtsilä 31

Hyötysuhde >50%

Fuel efficiency of 165 g/kWh

© Wärtsilä Jarkko Laine7

W31 engine 8-20 cylinders

Weight 56,7 tons

Size (L*W*H)

6,2*3,1*4,7 m (only

engine)

© Wärtsilä

Comparison

“Family

car”; VW

2.0 TDI

W6L20;

Marine

aux

W6L32,

Marine

W10V31 W20V46F

Power plant

Bore / Stroke (mm) 81 / 95.5 200 / 280 320 / 400 310/430 460 / 580

Cylinder volume (litres/cyl) 0.49 8.8 32.2 32.4 96.2

Cyl output max (kW / RPM) 25.5 / 4000 200 / 1000 500 / 750 610/720 1150 / 600

Engine output (kW) 103 1200 3000 6100 23000

Typical operating point Load

(kW) / RPM

~20 /

1600…1700

(90km/h)

(200)…1020 /

1000

2550 /

710…750

4270/760 23000 / 600

Max boost pressure (bar) ~1.1 3.9 3.4 ~8 3.9

Max cylinder pressure (bar) 90…110 200 200 275 230

Fuel consumption at typical load

(kg/h)

5 210 480 750 4300

Life time (h) ~6000

(300 000km)

Piston >60000

Inj pump/nozzle

24000/6000

Crank shaft

>20years

= =* =

© Wärtsilä

Castings

• Valut vaihtelevat 15 grammasta 88 000 kiloon.

• Valumateriaalit:

• Pallografiittivalurauta GJS (~75%)

• Suomugrafiittivalurauta GJL (~20%)

• (valu)Alumiinit (~3%)

• (valu)Teräkset (~1%)

• Valumenetelmät:• Käsin kaavaus

• Konekaavus

• Tarkkuusvalut

• Kokillivalut(kokilli-, matalapaine- ja painevalut)

© Wärtsilä

CASE 1: W31:n lohkon kehitys

© Wärtsilä

Suunnittelun lähtökohdat:

• Niin edullinen kuin mahdollista

• Niin tarkka kuin mahdollista Toimittajan valinta

Valimo

Metso Jyväskylä (nyk. Valmet, ent. Valmet) valittiin kehityspartneriksi

+ pitkä kokemus W32-34 kokoluokanlohkoista

+ ei toimitattanut komponetteja muillemoottorin valmistajille

+ lähellä, sama kieli

Malliveistämö

Zimmermann Saksa

+Pitkä kokemus lohkomallientekemisestä

+CNC-kapasiteetti

© Wärtsilä

Perinteinen menetelmä valimo omistaa menetelmän

1. toimittaja

• Valmiista desingistakoneistettuunprotoon 8-10 kuukautta.

• Valmistettavuusarvio (+korjaukset) ja valumenetelmänsuunnittelu (lisätäänkappalehintaan)

• Sarjatuotantoon

10-14 kk?

Komponentin suunnittelu

(Wärtsilä)

Valmistettavuus arvio(Valimo)

Valumetelmä suunnittelu

Mallin valimistus

Proto valu

Proton koneistus ja

laatutarkastu

Mallin ja

menetelmän

korjaus

Sarjatuotanto

1. toimittaja

Valmiista desingistakoneistettuun protoon7-9 kuukautta.

• valumenetelmänsuunnittelu maksetaanerikseen!!

• Sarjatuotantoon

8-10 kk?

Tuotteen suunnittelu valimon

kanssa

Valumenetelmä

suunnittelu

Mallin valmistus

Prototyyppivalu

Proton koneistus

Mallin ja

menetelmän

korjaus

Sarjatuotanto

Ei tarvetta jos

Design ok

korjaus

Simultaanisuunnittelu, jossa valimo myy menetelmän

Ei tarvetta jos

Design ok

© Wärtsilä

2. toimittaja

Komponentin suunnittelu

(Wärtsilä)

Valmistettavuus arvio(Valimo)

Valumetelmä

suunnittelu

Mallin valimistus

Proto valu

Proton koneistus ja

laatutarkastu

Mallin ja

menetelmän

korjaus

Sarjatuotanto

Mallien ja

menetelmän toimitus

Menetelmän

tarkistus

Mallin teko

(edellisen pohjalta)

protovalu

Proton koneistus

ja laatutarkastus

Sarjatuotanto

Suunnittelu, emokeernat

valmiina

Perinteinen menetelmä

valimo omistaa menetelmän

Simultaanisuunnittelu,

jossa valimo myy

menetelmänOstajalle

+ nopeus, etenkin toisen

toimittajan kanssa

+ olemattomat erot eri

valimoiden toimittamien

lohkojen välillä

+ kokonaiskustannukset

Valimolle

+helpompi hinnoittaa,

suunnittelukustannuksia ei

tarvitse piilottaa kappaleisiin

+suurempi mahdollisuus

vaikuttaa valettavuuteen.

© Wärtsilä

Ensimmäisen kokouksen jälkeen sovittiin

Sylinterikonfiguraatiot V8, V10, V12, V14, V16, V20 ja ensimmäinen lohko olisi V10

Mallit tehdään CNC-koneistamalla• Tarkempi malli

• Keernojen asettelu helpompaa, vähemmän mitattavaa asennuksessa (-60% asennustyöhön, jopaenemmän mikäli volyymit mahdollistavat automatisoidun keernotuksen)

• Pienemmät purseet keernojen välissä; helpompi puhdistaa, helpompi automatisoida (-30% puhdistustyöhön)

Valuasento ylösalaisin• Helpompi keernojen asettelu

• Kriittiset alueet muotin alapuolella

• Ylämuotti yksinkertainen

Pääkeernat suuria siivuja,

jotka tekevät lohkon sisä- ja ulkomuodot• Tarkempi, ei keernojen siirtymiä...

• Ei tarvetta keernapalleille (ei vuotoriskiä)

Valukutistuma

© Wärtsilä

Data käytännöt

Sovittiin selkeät pelisäännöt datan

siirtoon.

Siirtoon käytettiin Wärtsilän ftp-

serveriä

Tärkeää oli että kokoajan tiedettiin

kenellä on master 3D.

Keernojen nimeäminen

© Wärtsilä

Keernat

© Wärtsilä 31.3.2016 Jarkko Laine17

CASE: Runkolaakerin satula

• Kriittinen komponentti, perinteisestijäännösjännityshehkutus on tehty.

• Componenta kysyi, joskojännityshekutuksen voisi korvata pitkällämuottijäähdytyksellä?

© Wärtsilä

Jäännösjännitys hehkutus

• Tarkoituksena on poistaa jännityksiä, jotkasyntyvät valun jäähtymisen aikana. Nämäjännitykset voivat aiheuttaa ongelmiakoneistuksen aikana tai vaurioita käytönaikana.

• Wärtsilällä on kokemuksia MBC:stä,joka on muuttanut mittojaan koneistuksen jälkeenvarastoitaessa.

• Tyypillinen hehkutuslämpötila on 560-600ºC

• Uuniaika noin vuorokausi

-> jos jätetään pois, niin mahdollisuussäästöihin.

Stress development during residual stress annealing

© Wärtsilä

Alustavat simulaatiot

Tehtiin muutamia simulaatiota, jotta saatiin

hiukkasen esitietoa.

Näiden mukaan pitkä muottijäähdytys antoi

varsin kohtuullisia jäännösjännitys arvoja

Kuvissa on esimerkkiarvoja, joita käytettiin

simuloinneissa.

© Wärtsilä

MBC jäähtymiskäyrän mittausJäähtymiskäyrät mitattiin muotista, jotta saataisiin

tietää hiekan ominaisuudet paremmin.

Termoparit laitettiin muotin jakotasolle lähelle

valun pintaa.

Muotti avattiin 24 tunnin kuluttua kaadosta

Kappaleen pinnan läheltä mitattiin tällöin 290 °C.

© Wärtsilä

Jäännösjännitysmittaukset

• Valu puhdistettiin sinkoamalla ja toimitettiin Stresstechille

© Wärtsilä

Tulokset

• Vaatimukset:

• Simulaatio- ja mittatulosten pitäisi vastata toisiaan

• Varastoinnin jäljiltä ei pitäisi olla mittamuutoksia.

• Sinkopuhdistuksen vaikutus jännityksiin on hyvin näkyvissä mittaustuloksissa, ilmansitä simulointitulokset vastaavat kohtuu hyvin mittatuloksia.

• Mittamuutoksia ei ollut havaittavissa koneistetussa kappaleessa kuukauden säilytyksenjälkeen.

© Wärtsilä 31.3.2016 Jarkko Laine23

CASE: Sylinterikannen vuoto

Vuotoa koneistuksen jälkeen

satunnaisesti vesitilan ja koneistetun

kanavan välillä.

Juurisyyanalyysi sisältäen seuraavat:

• Valunsimulointi (optimointi)

• Tilastollinen analyysi (minitab)

© Wärtsilä

C:n ja Si:n optimiointi

4.4.2018 [Presentation name / Author]24

C Si Mn P S Cr Cu Mg Ni Mo Sn

tensile

strength 0,2 Elongation hardness

Mean 3,46 1,85 0,063

Min 3,40 1,76 0,052

Max 3,55 1,95 0,077

1150 sylinterikanttaotettiin analyysiin

(kemiallinen koostumus, lujuusarvot)

Fig 8 onASTM Handbook of Castings, ja se

näyttää tyypilliset C ja Si arvot

pallografiittivaluraudoille.

On em. Aineiston keskimääräinen

koostumus

viivat osoittavat minimi ja maksimi

rajat

-> ollaan kaukana optimiarvoista

Tässä komponentissä optimialue ei

välttämättä ole paras, eli tein optimointia

Magmalla.

© Wärtsilä

C:n ja Si:n optimointi Magmalla

4.4.2018 [Presentation name / Author]25

Optimointi tehtiin käyttäen Magman optimointi

työkaluja.

Perus koostumus otettiin sertien keskiarvosta

Rajat hiilelle ja piille otettin elellä olleesta ASTM

Handbookin kuvasta.

© Wärtsilä 4.4.2018 [Presentation name / Author]26

C:n ja Si:n optimointi Magmalla

Lasketut koostumukset ja niiden paremmuus.

© Wärtsilä27

• Binary logistic regression analysis – P

Factorial plots show trends for leakage response.

© Wärtsilä28

• Binary logistic regression analysis – Deviance table

Vain kovuus, myötölujuus ja Sn (tina) ovat tilastollisesti merkittäviä 95%

luotettavuudella.

© Wärtsilä29

• Binary logistic regression analysis – Optimization

Optimization results. Results valid only for statistically significant variables: yield

strenght, hardness and Sn. Given that the Sn affects on both of these mechanical

values, Sn content should be minimized to lower the probablity of leakage.

© Wärtsilä

Testivalujen tulokset

• Ei vuotavia kansia uusissa erissä

• C ja Si ovat paremmalla alueella

C 3,58-3,7%

Si 2,05-2,25%

4.4.2018 [Presentation name / Author]30

C Si Mn P S Cr Cu Mg Ni Mo Sn

tensil

estre

ngth 0,2 Elongation hardness

Mean 3,64 2,16 0,28 0,015 0,008 0,05 0,18 0,039 0,013 0,003 0,065 753,9 408,6 6 201

Min 3,58 2,06 0,26 0,013 0,007 0,04 0,16 0,036 0,012 0,002 0,06 719,8 398,8 4,1 194

Max 3,70 2,27 0,3 0,017 0,009 0,05 0,21 0,04 0,015 0,006 0,071 779,9 420,5 6,9 211

© Wärtsilä

Yhteenveto

• Piin ja hiilen pitoisuus on ollut liian matallatasolla, mutta on korjaatunut. Tasot ovathiukkasen korkeammat kuin simuloinninehdotukset.

• Tinan keskiarvopitoisuuus on sama, muttahajonta on pienenmpää.

4.4.2018 [Presentation name / Author]31

Sn

composition

“old”

analysis

“new

batch”

Mean 0,063 0,065

Min 0,052 0,060

Max 0,077 0,071

© Wärtsilä

www.wartsila.com

08/2015 Wärtsilä Suomessa32