Casting Design Optimization driven by Simulation

Dr. B. Ravi, Professor of Mechanical Engineering, I.I.T. Bombay (b.ravi@iitb.ac.in) 
             

T  he methods layout of a casting is an important activity 
in tooling development. It involves critical decisions 
regarding part orientation in mold, parting line, cores, 
Further, taking the average difference in the price of a 
saleable casting and scrap metal as Rs. 10/kg, and assuming 
average rejections in a foundry as 5%, the economic loss 
cavity layout, feeders, feedaids and gating system. An  caused by defective castings works out to Rs. 500 per tonne 
improper layout leads to either poor quality or low yield,  of production (in reality this can be much higher, with 
1
affecting manufacturing costs and productivity .   transport, warranty, and failures during product life).  
 
Casting simulation can overcome the above problems: 
virtual trials do not involve wastage of material, energy and 
Computer simulation provides a clear insight  labour, and do not hold up regular production. However, 
regarding the location and extent of internal defects,  most of the simulation programs available today are not 
ensuring castings are right first time and every time. It  easy‐to‐use, take as much time as real trials, and their 
however, requires a 3D CAD model of the method  accuracy is affected by material properties and boundary 
layout (with mold cavities, cores, feeders, and gating  conditions specified by users. The biggest problem is the 
channels), proper setting of boundary conditions for 
preparation of 3D model of the mold cavity with cores, 
each virtual trial, and correct interpretation of results. 
feeders and gating for every iteration, which requires CAD 
AutoCAST software integrates and automates the 
skills and takes considerable time for even simple parts. 
above tasks, and provides an extremely easy‐to‐use 
This also prevents early manufacturability evaluation and 
graphical user interface suitable for even first‐time 
improvement by product designers, which can benefit 
computer users. The mold cavities, feeders and gating 
several times more than tooling and process changes. 
system are automatically optimized, driven by the 
criteria and constraints specified by user. This reduces   
the total time for methods design and simulation of a  The AutoCAST software developed by Advanced Reasoning 
typical casting to less than one hour.   Technologies, Mumbai in collaboration with I.I.T. Bombay 
provides a single integrated user‐friendly environment for 
casting methods design, solid modeling, and simulation2.    
It handles both ferrous and non‐ferrous parts, and sand as 
 
well as metal molds. Release 10 incorporates multi‐cavity 
Methods design is usually carried out manually on 2D 
mold layout, automatic modeling and optimization, and a 
drawings of the cast part. Then tooling is fabricated, trial 
costing model to compare various layouts (Fig.1).    
castings are produced in the foundry, and inspected. If 
 
sample castings contain defects (such as shrinkage or gas 
 
porosity), then the methods layout is modified and the 
process is repeated. Each such iteration can take up several   
days, affecting regular production. After a few iterations,   
the foundry may resort to a ‘safe’ methods design (implying   
low yield), or continue with high rejection rates (implying 
 
high scrap or repair cost). This is especially true in the case 
 
of large castings, where the cost of a trial or repair can be 
prohibitive.    
   
Assuming a typical foundry develops 50 new castings every   
year, each casting requires at least 2 trials, and the average 
 
cost of each trial (tooling modification, melting & pouring, 
 
inspection, and effect on regular production) as Rs. 20,000, 
 
the economic loss works out to be two million (20 lakh) 
Fig.1. Casting methods design and simulation software. 
rupees per year per foundry.  
   
        1  

 
  Computer-aided Methods Design
   
  The main input is the 3D CAD model of an as‐cast part:   
  without drilled holes, and with draft, shrinkage and 
  machining allowance (Fig.2). The model file can be obtained 
  from the OEM firm, or created by a local CAD agency. 
  Various display options such as pan, zoom, rotate, 
  transparency and measure, are provided to view and 
  understand the part model. The cast metal and process are 
  selected from a database. Thickness map is generated. Part 
  manufacturability (compatibility with the selected process) 
  is computed and pictorially displayed (Fig.3).

  Methods design involves cores, feeders and gating system. 
Fig.2. Part property computation.  Holes in the part model are automatically identified for 
  core design, or plugged if they are drilled. Even intricate 
  holes can be identified by specifying their openings. The 
  print length is computed based on core diameter and 
  length (the user can change their values if required), and 
  the entire core model is automatically created. The 
  program suggests the number of cavities depending on   
  the mold size (selected from a customizable library), 
  considering both cavity‐cavity and cavity‐wall gaps. Then 
  the part model is automatically duplicated in the correct 
  locations as per the desired cavity layout (Fig.4).  
   
  To facilitate feeder location, a quick solidification analysis is 
  carried out that identifies feeding zones. The user selects a 
  suitable connection point close the hottest zone, and the 
  size of the feeder is computed using modulus principle 
  (solidification time of feeder slightly more than that of the 
Fig.3. Part thickness distribution with sensor.  feeding zone). Standard feeder shapes include cylindrical, 
  oval, spherical‐bottom, cruciform, etc. Other shapes can be 
  imported. The feeder model is automatically created; the 
  user can change its dimensions or apply feedaids such as 
  insulating sleeves and exothermic covers. Chills, padding 
  and fins can also be created. More feeders or feeders with 
  multiple necks can be created by specifying their positions.  
   
  The gating channels are also created semi‐automatically. 
  First, the user indicates gate positions on the part or feeder 
  model. Then the sprue position is decided, and connected 
  to the gates through runners. Runner extensions are also 
  automatically created. Either horizontal or vertical gating 
  system can be designed and modified within minutes. The 
  program suggests a suitable filling time (which can be 
  changed by user), accordingly computes the dimensions of 
  the gating channels, and creates their solid model. 
Fig.4. Methods design and its automatic modeling.   
 
        2  

 
  Automatic Optimization
   
  The mold cavity layout, feeders, and gating models are 
  automatically optimized within minutes based on quality 
  requirements and other constraints3. For mold cavity 
  layout, the primary criterion is the weight ratio of cast 
  metal to mold material. A high ratio such as 1:2 (cavities 
  too close to each other) can reduce the heat transfer rate 
  and lead to shrinkage porosity defects. A low ratio such as 
  1:8 (cavities too far from each other) implies poor 
  utilization of mold material and reduced productivity. The 
  program tries out various combinations of mold sizes and 
  number of cavities to find the combination that is closest to 
  the desired value of metal to mold ratio. 
Fig.5. Melt jet path and mold filling.   
  The gating optimization is driven by the ideal mold filling 
  time, which depends on cast metal, casting weight and 
  minimum wall thickness. Fast filling leads to turbulence‐
  related defects (mold erosion, air aspiration and inclusions). 
  Slow filling may cause defects related to premature 
  solidification (cold shuts and misruns). To optimize the 
  gating design, mold filling is simulated and total fill time is 
  computed (Fig.5). A layer‐by‐layer filling algorithm takes 
  into account the instantaneous velocity through the gates 
  (considering back pressure), and the local cross‐section of 
  the mold cavity. This gives a fairly accurate estimation of 
  filling time, while being computationally fast. If the 
  difference between the ideal and simulated filling time is 
  more than a specified limit, the program automatically 
  changes the gating design, creates its solid model, and 
  verifies the filling by simulation.  
Fig.6. Casting solidification simulation.   
  The feeder optimization is driven by casting quality, defined 
  as the percentage of casting volume free from shrinkage 
  porosity. The user indicates a target quality. The program 
  automatically changes the feeder dimensions, creates its 
  solid model, carries out solidification simulation (Fig.6), and 
  estimates the casting quality. The solidification simulation 
  employs the Vector Element Method, which computes 
  temperature gradients (feed metal paths) inside the 
  casting, and follows them in reverse to identify the location 
  and extent of shrinkage porosity (Fig.7). This has been 
  found to be much faster than Finite Element or Volume 
  Method, and usually more accurate too. Feeder design 
  iterations are carried out until the desired quality is 
  achieved, or the number of iterations exceeds a set limit. 
  The user can accept the results, or can modify the feeder 
  design interactively. 
Fig.7. Feed metal paths (temperature gradients).   
   
        3  

 
  Today AutoCAST is the most widely used casting software in 
  India with 50 licenses (foundries, engineering and R&D 
  institutes, and consultants) covering all major cast metals 
  and processes. Many others have used the software for 
  benchmarking. Simulation consultants are available across 
  the country to provide local technical support, ensuring a 
  smooth transition to computer‐aided methoding.  
   
  Summary and Future
   
  Casting simulation can minimize the wastage of resources 
  required for trial production. In addition, the optimization 
  of quality and yield implies higher value‐addition and lower 
  production cost, improving the margins. For widespread 
  application, simulation programs must be fast, reliable, and 
Fig.8. Cost analysis and methods report generation.  easy to use. This has been achieved by integrating methods 
  design, solid modeling, simulation and optimization in a 
Finally, the cost of the casting is computed in terms of  single software program, and automating many tasks that 
amortized tooling, cast metal, other materials (mold, core,  otherwise require scientific knowledge and computational 
etc.), energy, and labour. Various cost rates and parameters  skills. In many benchmarking exercises and simulation 
can be set by the user. This enables comparing different  clinics (Fig.9), the software has consistently proven its 
casting layouts in terms of tooling and manufacturing cost.  reliability in predicting internal defects (ex. shrinkage 
A detailed methods design report along with an image of  porosity) within minutes, often by senior engineers who are 
the entire casting is automatically generated, which can be  first time computer users. The simulation costs are a 
printed or stored for future reference (Fig.8).   fraction of the costs of foundry trials, while providing better 
  and faster insight for casting optimization. A network of 
The metal database covers all major alloys (aluminum,  local technical support centres and simulation consultants 
copper, cast iron, ductile iron, steel, and precious metals)  across the country ensures that even SME foundries in 
and processes (sand, shell, investment, die casting). It can  remote areas can now take advantage of the technology. 
be customized to any new metal‐process combination.  The goal of castings right first time, every time, in the 
  shortest time, is within the reach of every foundry.  
The software has been developed for standard Windows XP   
computers, and performs well on even portable computers. 
 
The graphical interface is designed to minimize the learning 
and operation time, and the user is gently guided through   
forgotten or wrong steps. Even those without any prior   
exposure to computers are able to use the software after a   
single day of training. All steps starting from part model   
importing to mold, core, feeder and gating system design, 
 
simulation and optimization are completed within one hour 
for typical castings.    
  Fig.9. Casting simulation training and clinic at Mumbai. 
Direct benefits include at least 50% reduction in casting   
development time and porosity defects. Other benefits  References
include yield improvement, faster quotation, handling more   

1. B  Ravi,  Metal  Casting:  Computer‐Aided  Design  and  Analysis,  PHI 

complex parts and knowledge reuse for future projects.  India, New Delhi, 2005‐2008, ISBN 81 203 2726 8.  
Continuous interaction of the R&D team with local industry  2. Advanced Reasoning Technologies, AutoCAST Software User Manual 
and Case Studies, http://www.autocast.co.in, 2009.   
has made it possible to incorporate hundreds of useful 
3. B  Ravi,  “Casting  Simulation  and  Optimisation:  Benefits,  Bottlenecks, 
improvements over the last 20 years.  and Best Practices,” Indian Foundry Journal, 54 (1), Jan 2008. 
   
        4