Modelagem numérica do deslocamento do núcleo cerâmico na fundição de lâminas de turbina

Abstract

A fundição de precisão é amplamente empregada na indústria aeronáutica para a fabricação de componentes com elevada complexidade geométrica e rigorosos requisitos dimensionais, como as lâminas de turbina. Esses componentes operam sob condições extremas de temperatura e pressão, exigindo elevada integridade estrutural e eficiência térmica ao longo de sua vida útil. Para viabilizar o resfriamento interno, as lâminas possuem canais internos formados por núcleos cerâmicos inseridos no molde durante o processo de fundição. Entretanto, o deslocamento do núcleo cerâmico durante o vazamento do metal fundido pode comprometer a espessura das paredes e, consequentemente, o desempenho da peça. Esse fenômeno está associado às forças hidrodinâmicas atuantes durante o preenchimento do molde, bem como às propriedades físicas do metal fundido. Nesse contexto, a simulação numérica apresenta-se como uma ferramenta fundamental para a análise e previsão desse comportamento. Este trabalho emprega modelagem geométrica, simulação CFD do escoamento multifásico durante o preenchimento do molde e análise de interação fluido-estrutura no ambiente Simcenter STAR-CCM+, com foco na avaliação do deslocamento do núcleo cerâmico. Adicionalmente, analisa-se a influência da densidade do metal fundido sobre esse deslocamento. Os resultados permitiram avaliar os carregamentos atuantes sobre o núcleo cerâmico e estimar seu deslocamento na direção principal de análise, indicando a influência da densidade do metal líquido sobre as forças hidrodinâmicas e a resposta estrutural do núcleo.

Investment casting is widely used in the aerospace industry for the manufacturing of components with high geometric complexity and strict dimensional requirements, such as turbine blades. These components operate under extreme temperature and pressure conditions, requiring high structural integrity and thermal efficiency throughout their service life. To enable internal cooling, turbine blades contain internal channels formed by ceramic cores inserted into the mold during the casting process. However, the displacement of the ceramic core during the pouring of molten metal may compromise wall thickness and, consequently, the performance of the component. This phenomenon is associated with the hydrodynamic forces acting during mold filling, as well as with the physical properties of the molten metal. In this context, numerical simulation represents an important tool for analyzing and predicting this behavior. This work employs geometric modeling, CFD simulation of the multiphase flow during mold filling, and fluid-structure interaction analysis in the Simcenter STAR-CCM+ environment, focusing on the evaluation of ceramic core displacement. Additionally, the influence of molten metal density on this displacement is analyzed. The results made it possible to evaluate the loads acting on the ceramic core and estimate its displacement in the main direction of analysis, indicating the influence of molten metal density on the hydrodynamic forces and the structural response of the core.