Moderní společnost je do značné míry závislá na elektrotechnickém průmyslu, který je jedním z jejích základních prvků. Růst průmyslu v oblasti průmyslových energetických systémů i spotřební elektroniky závisí na výkonnosti a přesnosti spolu s inovacemi. Rozsáhlá transformace výroby součástek zahrnuje jako hlavní techniku tlakové lití hliníku.Tlakové lití hliníku funguje jako výrobní technika i technologický faktor, který umožňuje v elektrických aplikacích získat lehké komponenty při zachování elektrického tepelného výkonu, odolnosti proti korozi a prodloužené životnosti.

V článku je důkladně rozebráno tlakové lití hliníku, aby bylo možné pochopit, jak pomáhá elektrotechnickému průmyslu, a to na základě zkoumání procesu jeho realizace a způsobů řešení, jakož i oblastí použití a technických norem.

Co je tlakové lití hliníku?

Při odlévání kovů známém jako tlakové lití se do dutin formy vstřikuje roztavený kov silným tlakem. Výrobní formy známé jako zápustky se obvykle vytvářejí z kalené nástrojové oceli, aby se usnadnila přesná výroba složitých kusů prostřednictvím velkoobjemové přípravy.

Preferovanými kovy pro tlakové lití hliníku jsou hliníková slitina 380 (A380) a hliníková slitina 383 (A383) nebo hliníková slitina 413, protože vykazují vynikající tekutost a zároveň vynikající pevnost a odolnost proti korozi.

Vstřikovací tlak: 1 500-25 000 psi (103-1 724 barů)

Doba plnění: Méně než 0,1-0,2 sekundy

Teplota odlévání (hliník):  660°C (1 220°F)

Dosažitelné tolerance:  ±0,001″ na palec (±0,025 mm na 25,4 mm)

Rychlé vstřikování v kombinaci s rychlým chladicím systémem vytváří komponenty s vynikající rozměrovou přesností a špičkovou povrchovou úpravou, které se dobře hodí pro elektrotechnické aplikace.

Proč používat hliník v elektrických aplikacích?                            

Vlastnosti hliníku vhodné pro elektrotechnický průmysl:

Proces tlakového lití hliníku: Krok za krokem

Hliníkový odlitek jsou vysoce účinné a univerzální díly, které se vyrábějí procesem tlakového lití hliníku odléváním roztaveného hliníku do formy. Při tomto procesu se roztavený hliník vstřikuje do ocelové formy pod vysokým tlakem, takže společnosti mohou vyrábět vysoce kvalitní a odolné součásti. Následuje podrobný popis procesu tlakového lití hliníku.

1. Konstrukce a výroba

Zápustka je první věcí, která je v procesu tlakového lití navržena a vyrobena. Zápustka je vyrobena z kvalitní nástrojové oceli a skládá se ze dvou polovin, z poloviny jádra (s dutinou) a z poloviny vyhazovače (zabraňuje vyhození dílu po odlití). Konstrukce kokily je taková, aby se roztavený hliník mohl rovnoměrně nalít do dutiny a měl v roztaveném stavu požadovaný tvar.

Náklady na nástroje: Náklady na vytvoření matrice se mohou pohybovat v rozmezí od $10 000 do $100 000 nebo více, pokud nelze díl vyrobit pomocí lisovaného dílu.

Použité materiály:  Třídy H13 nebo P20 se používají proto, že mají vynikající odolnost proti teplu a opotřebení.

2. Tavení hliníku

Poté se hliníková slitina roztaví. V peci se hliník zahřívá na teplotu přibližně 660-700 °C. Teplota tání hliníku je taková, že se roztaví, a lze jej tedy snadno tvarovat v dutině formy.

Slitiny hliníku:  A380, A383 a A413 jsou běžné slitiny díky své tekutosti a pevnosti.

Doba tání: Tavení by mělo trvat přibližně 20-30 minut v závislosti na typu použité pece a slitině slitiny.

3. Vstřikování roztaveného hliníku do formy

Hliník se pak roztaví a roztavený hliník se podle procesu přenese do stroje na tlakové lití za studena nebo za tepla. Při procesu ve studené komoře se roztavený hliník vlévá do komory a vstřikuje se do formy pod vysokým tlakem (od 1 500 psi do 25 000 psi).

Vstřikovací tlak:  1 500-25 000 psi (103-1 724 bar)

Doba cyklu:  Vstřikování probíhá během 0,1-0,2 sekundy, takže je zajištěna produktivita.

4. Chlazení a tuhnutí

Jakmile je hliník vložen do matrice, začne se téměř okamžitě ochlazovat a tuhnout. Tato doba je velmi důležitá, protože rychlost chlazení ovlivňuje pevnost odlitku a kvalitu povrchové úpravy. Doba chlazení může trvat od 5 do 30 sekund v závislosti na tloušťce dílu a jeho složitosti.

Rychlost chlazení:  Zde je vidět, že v případě rychlejšího chlazení je lepší pevnost a povrchová úprava dílu.

Doba tuhnutí:  Je třeba také poznamenat, že při větší tloušťce řezu může tuhnutí trvat mnohem déle než při menší tloušťce řezu.

5. Vyhazování a ořezávání

Jakmile díl vychladne a ztuhne, je vyjmut z lisu. K tomu slouží vyhazovací systém, který vytlačuje odlitek z formy. Nakonec se odstraní veškerý přebytečný materiál, který zahrnuje vtoky, vtokové lišty a otřepy.

Vyhazovací síla: Při tomto procesu se odhaduje použití síly přibližně 1000 až 5000 liber v závislosti na vyráběném dílu.

Proces ořezávání: Řezné nástroje nebo jiné obráběcí operace se používají k odstranění plamenů a dalšího dodatečného materiálu.

6. Následné zpracování

Poslední operací, která může být vyžadována, je konečná úprava, která může zahrnovat obrábění, povrchovou úpravu, což je technická úprava povrchu, jako je eloxování, práškové nebo mokré lakování a kontrola kvality konkrétního odlitku.

Obrábění:  U některých dílů může být požadována určitá tolerance, které lze dosáhnout pomocí CNC obrábění.

Povrchová úprava: Eloxování je známé tím, že na jedné straně zvyšuje korozní odolnost, na druhé straně práškové lakování poskytuje leštěný a odolný povrch.

Slitiny používané při tlakovém lití hliníku

Slitiny hliníku a zinku jsou běžnými materiály pro tlakové lití, protože určují výkon, pevnost a životnost elektronických výrobků. Některé z materiálů používaných v elektronickém průmyslu a jejich hodnoty jsou následující:

1. Slitiny hliníku (např. A380, A383, A413)

Tepelná vodivost: 205 W/m-K - Vynikající pro odvod tepla v komponentech, jako jsou chladiče a napájecí zdroje.

Elektrická vodivost:  35-38 MS/m - Dostatečné pro mnoho elektronických součástek, zejména v konektorech a pouzdrech.

Pevnost v tahu:  345 MPa ( A380) - Zaznamenané mechanické namáhání zajišťuje, že použité díly jsou dostatečně pevné, aby zvládly mechanický tlak.

Hustota:  2,7 g/cm³ - Lehký, ideální pro přenosná zařízení.

Aplikace:  Elektronický chladicí systém, skříň, měniče a rozvodné skříně.

2. Slitiny zinku (např. Zamak 3, Zamak 5)

Tepelná vodivost: 116 W/m-K - Vhodné pro elektroniku s nízkou až střední teplotou.

Elektrická vodivost: Méně než u hliníku, ale obvykle se pohybuje kolem 30% vodivosti mědi - Vhodné pro použití v aplikacích, které nevyžadují vysoký průtok proudu.

Pevnost v tahu: 230 MPa (Zamak 3) - Nabízí dobrou mechanickou pevnost pro menší díly.

Hustota:  6,5 g/cm³ - Těžší než hliník, ale stále relativně lehké pro různé skříně.

Aplikace: Mezi takovéto hliníkové odlitky patří například kryty televizorů, rámy mobilních telefonů, drobné elektronické předměty, například vypínače, a montážní držáky.

3. Slitiny hořčíku

Tepelná vodivost: 156 W/m-K - nižší než u hliníku, ale stále dostatečné pro lehkou elektroniku.

Elektrická vodivost: Nízká - Není vhodná pro aplikace s vysokým proudem, ale hodí se pro lehká pouzdra.

Pevnost v tahu: 230 MPa (AZ91D) - Dostatečná pevnost pro mnoho lehkých součástí.

Hustota: 1,8 g/cm³ - Nejlehčí z tlakově litých materiálů, což umožňuje snížit jeho celkovou hmotnost.

Aplikace:  Přenosná elektronická zařízení, přenosné počítače a notebooky, mobilní telefony a lehké konstrukční součásti a podsestavy.

4. Slitiny mědi (např. bronz)

Tepelná vodivost: 390 W/m-K - To je užitečné zejména pro výkonná zařízení, která by měla uvolňovat velké množství tepelné energie.

Elektrická vodivost: 59 MS/m (pro měď) - Vynikající elektrická vodivost, ideální pro součástky s vysokým proudem.

Pevnost v tahu: 450 MPa (bronz) - Vysoká pevnost pro díly odolné proti namáhání.

Hustota: 8,9 g/cm³ - jeho hustota je vyšší než u hliníku, ale nabízí velkou pevnost a vysokou elektrickou vodivost.

Aplikace: Rozvodné systémy, elektrické konektory, rozváděče a přípojnice.

5. Bezolovnaté slitiny cínu

Bod tání: 183 °C (pro slitiny cínu a stříbra) - je vhodnější pro použití při pájení.

Elektrická vodivost:  Nízká - je vhodná spíše pro pájení než pro vedení proudu.

Odolnost proti korozi:  Tento materiál ventilů se vyznačuje dobrými vlastnostmi v nízko a středně korozivním prostředí a středním obsahem stříbra.

Aplikace:  Propojování různých komponent na PCBS, sestavování malých přístrojů a elektronických zařízení a zapouzdřování mikroelektronických zařízení jsou zdarma.

6. Slitiny cínu a stříbra

Bod tání: 217 °C - Vhodné pro vysoce výkonné pájení.

Elektrická vodivost: Nízká - Používá se při svařování obvodů a spojování elektronických součástek.

Tepelná stabilita:  Vysoká - zachovává stabilitu i při vysokém tepelném namáhání.

Aplikace:  Aplikace spojené s pájením ve vysoce spolehlivých elektronických systémech, elektronických zařízeních, které vyžadují extrémní přesnost z hlediska přenosu tepla.

Vše o tlakovém lití hliníku

Hliníkové tlakové lití má pro elektrotechnický průmysl několik charakteristických vlastností, díky nimž je pro toto odvětví obzvláště vhodné. Fyzikální, mechanické a elektrické vlastnosti, které tyto hodnoty zahrnují, představují široké spektrum fyzikálních a mechanických a fyzikálních a elektrických vlastností, které umožňují použití hliníkových tlakových odlitků v kritických aplikacích. Následujte nás s rozpisem každé z nich.

1. Tepelná vodivost: 205 W/m-K

Tepelná vodivost je jednou z nejdůležitějších hodnot při výrobě hliníkových odlitků pro elektrotechnické aplikace. Tepelná vodivost udává, jak dobře materiál vede teplo. U elektrických součástí, zejména výkonové elektroniky a motorů, je velmi důležité, aby efektivně odváděly teplo, čímž se předchází přehřátí a zajišťuje spolehlivost provozu.

Tepelná vodivost hliníku:  Má výrazně vyšší hodnotu 205 W/m-K než jiné kovy používané při tlakovém lití, jako je ocel (50 W/m-K) nebo měď (390 W/m-K).

Výhody:  Pro chladiče, kryty měničů a podobné typy součástí je proto ideální hliníkové tlakové lití.

Použití: Například hliníkové lité chladiče se používají k chlazení ovladačů LED, transformátorů a napájecích zdrojů, protože zajišťují tepelný management, který zabrání snížení výkonu nebo selhání jednotky.

2. Elektrická vodivost: 35-38 MS/m

Termín elektrická vodivost označuje (Jak) snadno elektrický vodivý materiál propouští elektrický proud. Elektrická vodivost hliníku je pouze 62 % elektrické vodivosti mědi, nicméně pro většinu lidí představuje vhodnou alternativu v případě, že je potřeba vysoká vodivost, ale existují cenová a hmotnostní omezení.

Vodivost hliníku: To je vynikající pro většinu aplikací s nízkým až středním proudem, tj. 35-38 MS/m.

Výhody:  Hliníkové tlakové odlitky se používají pro konektory, svorky a přípojnice v elektrických systémech a vyžadují spolehlivý vodič, který je však levný.

Použití: Hliník je lehčí a cenově výhodnější pro vysoce výkonné elektrické komponenty, jako jsou konektory pro solární energii, svorky baterií nebo rozvodné jednotky, a je méně vodivý, ale dostatečně vodivý než měď.

3. Přirozené vytváření oxidové vrstvy (odolnost proti korozi).

Jednou z hlavních výhod hliníku je jeho vynikající odolnost proti korozi. Hliník je přirozeně chráněn ochrannou oxidovou vrstvou, která se vytváří na vzduchu a chrání jej před vlivy prostředí, jako je vlhkost, sůl a chemikálie. Důvodem, proč jsou tak vhodnými kandidáty pro venkovní použití a zařízení, která jsou vystavena drsným povětrnostním vlivům, je právě tato přirozená vlastnost.

Výhody: Kromě toho je odolnost hliníku proti korozi obzvláště důležitá pro venkovní skříně, solární zařízení a elektrické skříně, které jsou vystaveny dešti, vlhkosti a dalším korozivním podmínkám.

Použití: V případě trvalého kontaktu s okolním prostředím se hliník používá k odlévání rozvodných skříní a venkovních řídicích jednotek pro pouliční osvětlení nebo systémy řízení dopravy.

4. Hustota: 2,7 g/cm³

Hustota materiálu tedy ovlivňuje jak hmotnost, tak pevnost materiálu a je mírou hmotnosti na jednotku objemu materiálu. Hliník s hustotou 2,7 g/cm³ je lehký kov. Jeho hmotnost je přibližně třetinová ve srovnání s ocelí (7,85 g/cm³), což z něj činí.

Výhody: Protože je hliník lehký, snižuje hmotnost elektrických systémů jako celku, což znamená, že se díly lépe přenášejí, přepravují a instalují. To je užitečné zejména u motorů, bateriových skříní a spotřební elektroniky.

Použití:  Hliníkové tlakové odlitky se často používají v motorech elektromobilů (EV), systémech HVAC a přenosných elektrických zařízeních pro zvýšení účinnosti a snadného používání.

5. Pevnost v tahu: 345 MPa (slitina A380)

Pevnost v tahu je pevnost materiálu, která odolává tahovým nebo roztahovacím silám. Pevnost v tahu až 345 MPa hliníkových tlakových odlitků, zejména při použití slitiny A380, je předurčuje k mnoha konstrukčním a mechanickým aplikacím v elektrotechnickém průmyslu.

Výhody: Tyto hliníkové odlitky mají dostatečnou pevnost, aby pokryly mechanické namáhání, a přitom zůstávají lehké. U dílů, jako jsou rámy statorů, skříně motorů nebo koncové kryty elektromotorů, je důležitá jak pevnost, tak nízká hmotnost.

Použití: Mezi tyto silné stránky patří lopatky ventilátorů, kryty motorů a obotické strojní součásti, které mohou těžit z poměru pevnosti hliníku k hmotnosti.

6. Mez kluzu: 160-170 MPa (slitina A380)

Mez kluzu udává, jak velké napětí materiál snese, než dojde k trvalé deformaci. Mez kluzu slitiny A380 pro hliníkové odlitky se obvykle pohybuje v rozmezí 160 až 170 MPa. Poskytuje dílu správnou strukturální integritu, aniž by byla příliš velká hmotnost, což umožňuje, aby si díl udržel svůj tvar v průběhu času.

Výhody:  Mechanické zatížení způsobuje, že součásti, jako jsou skříně jističů, ovládací panely a skříně baterií, musí být schopny odolat takovému zatížení při zachování rozměrové stability. Díky tomu má hliník pevnost v tahu, která zabraňuje nevratným deformacím těchto dílů.

Použití:  U zařízení pro rozvod elektrické energie, jejichž součásti musí odolávat velmi vysokému namáhání, je vysoká mez kluzu hliníkových tlakových odlitků zárukou, že součásti těchto zařízení zůstanou neporušené a spolehlivé.

7. Teplota tání: 660 °C (1220 °F)

Teplota tání hliníku je v porovnání s jinými kovy, jako je měď nebo ocel, poměrně nízká; dosahuje však 660 °C. To umožňuje tavení hliníku a jeho tvarování do jedinečných tvarů v procesu tlakového lití.

Výhody:  Téměř stejně nízká jako teplota tání hliníku je jeho snadné a rychlé odlévání a ztrácení. Tím se zkracuje doba výroby, takže lze dosáhnout snížení nákladů a vyšší efektivity výroby.

Použití:  Tyto rohy jsou vhodné pro výrobu komponentů pro motory, jističe a chladiče se složitým designem a komplexní geometrií při zachování nízkých výrobních nákladů.

8. Recyklovatelnost: 100% bez ztráty vlastností

Recyklovatelnost materiálu 100% je jednou z největších výhod ve světě hliníku. Při recyklaci si hliník zachovává všechny své fyzikální a mechanické vlastnosti bez degradace. Pomáhá tak dosáhnout udržitelnějšího procesu výroby.

Výhody: Recyklace hliníku je o 95 % účinnější než výroba nového materiálu, a je tak pro elektrotechnický průmysl šetrnější k životnímu prostředí.

Použití: Recyklovaný hliník se používá v mnoha elektrotechnických výrobcích, jako jsou kryty baterií, kryty motorů a solární panely, a přispívá tak k oběhovému hospodářství.

9. Tloušťka stěny: 1,5-4 mm

Tlakové lití hliníku umožňuje výrobu dílů s přesnou geometrií a tloušťkou stěny od 1,5 mm do 4 mm. To umožňuje navrhovat jak lehké, tak konstrukčně robustní součásti pro specifické aplikace v elektrotechnice.

Výhody: Díky tenké stěně menší než 1,5 mm lze vyrábět elektrické díly s vysokou přesností detailů a rozměrů. Vyžadují to malé součásti, jako jsou konektory, relé a pojistkové skříňky.

Použití: Tenčí stěny také snižují hmotnost dílu v motorových skříních při zachování pevnosti a funkčnosti.

10. Náklady na nástroje vs. efektivita výroby

V současné době, tlakové lití hliníku může být nákladné ($10 000 až $100 000 v závislosti na složitosti), ale v dlouhodobém horizontu přináší úspory díky vysoké produkci a úsporám z rozsahu. Po zhotovení forem umožňuje tlakové lití vyrábět tyto formy ve velkých objemech s velmi nízkými dodatečnými náklady na jednotku.

Výhody: Elektrotechnické společnosti mají velkoobjemové výrobní kapacity, aby mohly naplnit světový požadavek na elektrické komponenty z toho, že je dostatečně bezpečný a spolehlivý, aby jej mohly z výrobku vynechat.

Použití: Díky tomu je obzvláště užitečná pro výrobu vysoce náročných elektrických dílů, jako jsou přípojnice, skříně elektrických rozváděčů a jističe.

Tabulka 1: Klíčové vlastnosti hliníku v elektrotechnických aplikacích

Tabulka 2: Materiály pro tlakové lití v elektronickém průmyslu

Aplikace v elektrotechnickém průmyslu

1. Skříně a pouzdra

Citlivá elektronika je chráněna proti prachu, vodě (provedení IP), rušení EMI/RFI a fyzickým nárazům v krytech z tlakově litého hliníku.

Příklad: Rozvodné skříně, kryty měničů a venkovní řídicí jednotky.

Výhody: Odolnost proti korozi a vynikající odvod tepla v náročných podmínkách.

2. Jednotky tepelného managementu a chladiče

U napájecích zdrojů je vysoká tepelná vodivost hliníku vhodná pro řízení tepla v hliníkových řešeních.

Příklad: Transformátory, akumulátory, jističe, chladiče.

Tepelná vodivost:  205 W/m-K oproti 45-60 W/m-K u oceli.

3. Součásti motoru

Běžným typem odlévaných dílů elektromotorů jsou díly, které se skládají z rotorového pouzdra, statorových rámů, koncových krytů a ventilátorů.

Výhoda:  Lehčí konstrukce snižuje spotřebu energie v systémech HVAC a průmyslových systémech.

4. Konektory a svorkovnice

Přesné komponenty s vysokou tolerancí a rozměrovou stabilitou.

Požadavek: ± 0,05 mm těsná tolerance pro dosažení elektrické integrity kontaktu.

5. Jističe a součásti rozváděčů

Často se používají komponenty odlévané pod tlakem, jako jsou pohony, ramena, páky a kryty, aby byly vnitřní komponenty konzistentnější a bezpečnější.

Výhody tlakového lití hliníku v elektrických systémech

Přesnost a opakovatelnost

Tolerance ±0,001" zajišťují konzistentní kvalitu drahých součástí ve složitých tvarech, které podporují úrovně složitosti.

Hromadná výroba

Při výrobě milionů kusů je možné dosáhnout doby cyklu pouhých 30 sekund na jeden díl.

Lehká síla

Zmenšuje se tak počet lehkých, kompaktních a lehkých skříní a zařízení.

Odolnost proti korozi

Automaticky vytváří ochrannou vrstvu oxidu.

Tepelné a elektrické vlastnosti

Zajišťuje dobrý a rychlý odvod tepla a stabilní elektrickou vodivost v systémech s vysokým zatížením.

Efektivita nákladů

Po zřízení nástroje jsou náklady na jednotku mnohem nižší než při obrábění nebo kování.

Výzvy v oblasti tlakového lití hliníku

Tento proces má mnoho výhod, ale má i některá omezení, která je třeba zohlednit v návrhu a plánu.

Průmyslové normy a dodržování předpisů

Při použití těchto komponent v systémech je třeba dodržovat elektrotechnické normy.

IEC 60529:  Stupně krytí (IP) krytů.

UL 508 / UL 94:  Pro ovládací panely a hodnocení hořlavosti.

Rohs / REACH:  Zajištění environmentální a zdravotní bezpečnosti.

ISO 9001 / IATF 16949:  Systémy kvality ve výrobě.

Většina dodavatelů cenově dostupných hliníkových odlitků tyto normy splňuje nebo překračuje, a proto lze jejich výrobky používat na domácím i mezinárodním trhu.

Budoucí trendy a výhled

S přechodem na elektrifikaci ve světě nabývá lití do hliníkových forem stále většího významu. Zde jsou některé hnací síly růstu:

Elektrická vozidla (EVS)

Hliník je lehký a má přirozené tepelné vlastnosti, které jsou nejvhodnější pro potřeby krytů baterií, tepelných desek, krytů měničů atd.

Obnovitelná energie

Skříně solárních střídačů, konektory větrných turbín a jednotky pro ukládání energie jsou vyrobeny z hliníkových tlakových odlitků.

Chytré sítě a internet věcí

To vše však narůstá s tím, jak se systémy stávají více propojenými, jsou požadovány kompaktní tlakově lité skříně s vestavěnými anténami a stíněním proti EMI.

Udržitelnost

Dnes se stále používá více než 75% vyrobeného hliníku.

Závěr

V elektrotechnickém průmyslu se tlakové lití hliníku stalo nezbytnou pomocnou silou. Pouze uhlíková vlákna se osvědčila jako bezpečný, efektivní a cenově dostupný zdroj energie pro moderní život s bezkonkurenční kombinací pevnosti, vodivosti, tepelného výkonu a konstrukční flexibility. Pokračující zapojení hliníkového tlakového lití je patrné od kompaktních ovládacích skříní až po vysoce přesné konektory. Tento časem prověřený proces přináší těm, kteří s ním pracují, stále nové poznatky, protože technologie neustále inovuje elektrotechnický design, jeden odlitek za druhým.

Často kladené otázky: 

1. Co je tlakové lití hliníku?

Tlakové lití hliníku je výrobní proces, při kterém se roztavený hliník vstřikuje do forem a vyrábí se tak přesné a odolné díly.

2. Proč se hliník používá v elektrotechnickém průmyslu?

Hliník je lehký, vodivý, trvanlivý a odolný proti korozi a je ideální pro použití jako elektrická součástka, například v krytech, chladičích a konektorech.

3. Proč je tlakové lití hliníku výhodné v elektrotechnice?

Díky vysoké přesnosti, opakovatelnosti, nízké hmotnosti a vynikajícím tepelným a elektrickým vlastnostem je velmi cenově výhodný pro hromadnou výrobu.

4. Jak obtížné je odlévat hliník pomocí kokily?

Mezi problémy patří vysoké počáteční náklady na nástroje, problémy s pórovitostí a omezení tloušťky stěn odlitku (většinou 1,5-4 mm).