Det moderne samfund er stærkt afhængigt af den elektriske industri, der fungerer som et af dets væsentlige elementer. Industriens vækst inden for både industrielle kraftsystemer og forbrugerelektronik afhænger af ydeevne, præcision og innovation. Den udbredte transformation af komponentfremstilling involverer trykstøbning af aluminium som den vigtigste teknik.Trykstøbning af aluminium fungerer både som en produktionsteknik og en teknologisk faktor, der gør det muligt for elektriske applikationer at få letvægtskomponenter, samtidig med at den elektriske termiske ydeevne bevares, sammen med korrosionsbestandighed og forlænget holdbarhed.

Artiklen analyserer trykstøbning af aluminium grundigt for at forstå, hvordan det hjælper elindustrien ved at undersøge dens implementeringsproces og løsningsmetoder sammen med anvendelsesområder og tekniske standarder.

Hvad er trykstøbning af aluminium?

Ved metalstøbning, kendt som trykstøbning, anvendes et kraftigt tryk til at sprøjte smeltet metal ind i formens hulrum. Produktionsforme, kendt som matricer, er normalt lavet af hærdet værktøjsstål for at lette den nøjagtige fremstilling af komplekse emner gennem forberedelse af store mængder.

De foretrukne metaller til trykstøbning af aluminium er Aluminium Alloy 380 (A380) samt Aluminium Alloy 383 (A383) eller Aluminium Alloy 413, fordi de udviser fremragende flydeevne sammen med enestående styrke og korrosionsbestandighed.

Indsprøjtningstryk: 1.500-25.000 psi (103-1.724 bar)

Udfyldningstid: Mindre end 0,1-0,2 sekunder

Støbetemperatur (aluminium):  660°C (1.220°F)

Opnåelige tolerancer:  ±0,001″ pr. tomme (±0,025 mm pr. 25,4 mm)

Den hurtige indsprøjtning kombineret med et hurtigt kølesystem giver komponenter med overlegen dimensionel præcision sammen med en førsteklasses finish, der fungerer godt til elektriske anvendelser.

Hvorfor bruge aluminium i elektriske applikationer?                            

Aluminiums egenskaber passer til den elektriske industri:

Trykstøbning af aluminium: Trin for trin

Trykstøbt aluminium dele er meget effektive og alsidige dele, der fremstilles ved hjælp af aluminiumsstøbningsprocessen ved at støbe smeltet aluminium i en form. I processen sprøjtes smeltet aluminium ind i en stålform under højt tryk, så virksomhederne kan fremstille holdbare komponenter af høj kvalitet. Følgende er en detaljeret beskrivelse af trykstøbningsprocessen i aluminium.

1. Design og fremstilling

Formen er det første, der designes og fremstilles i den pågældende trykstøbningsproces. Formen er lavet af værktøjsstål af god kvalitet og består af to halvdele, kernehalvdelen (med hulrummet) og ejektorhalvdelen (for at forhindre udstødning af delen efter støbning). Formens design er sådan, at smeltet aluminium kan hældes jævnt i hulrummet for at få den ønskede form i smeltet tilstand.

Omkostninger til værktøj: Omkostningerne til fremstilling af matricer kan variere fra $10.000 til $100.000 eller mere, hvis delen ikke kan fremstilles med en presset del.

Anvendte materialer:  H13- eller P20-kvaliteter bruges, fordi de er fremragende til varme- og slidstyrke.

2. Smeltning af aluminium

Derefter smeltes aluminiumslegeringen. I ovnen opvarmes aluminiummet til temperaturer på omkring 660°C-700°C (1220°F-1292°F). Aluminiums smeltepunkt er sådan, at det bliver smeltet og derfor let kan formes i formhulrummet.

Aluminiumslegeringer:  A380, A383 og A413 er almindelige legeringer på grund af deres smidighed og styrke.

Smeltetid: Det bør tage ca. 20-30 minutter at smelte, afhængigt af den anvendte ovntype og legeringen af legeringen.

3. Indsprøjtning af smeltet aluminium i matricen

Aluminium smeltes derefter, og det smeltede aluminium overføres derefter til en trykstøbemaskine med koldt eller varmt kammer alt efter processen. Under koldkammerprocessen øses smeltet aluminium ind i kammeret og sprøjtes ind i matricen under højt tryk (fra 1.500 psi til 25.000 psi).

Indsprøjtningstryk:  1.500-25.000 psi (103-1.724 bar)

Cyklustid:  Indsprøjtningstrinnet foregår på 0,1-0,2 sekunder, så produktiviteten er sikret.

4. Afkøling og størkning

Når aluminiummet er blevet indsat i støbeformen, begynder det at køle og fryse næsten øjeblikkeligt. Denne periode er meget vigtig, fordi afkølingshastigheden påvirker støbningens soliditet og kvaliteten af overfladefinishen. Afkølingstiden kan tage alt fra 5 til 30 sekunder afhængigt af emnets tykkelse og kompleksitet.

Afkølingshastighed:  Her ses det, at i tilfælde af hurtigere afkøling er der en bedre styrke og overfladefinish på emnet.

Tid til størkning:  Det skal også bemærkes, at når sektionstykkelsen er tykkere, kan det måske tage meget længere tid at størkne, end når sektionstykkelsen er tyndere.

5. Udskydning og trimning

Når emnet er kølet ned og er blevet stift, skubbes det ud af formen. Det sker ved hjælp af ejektorsystemet, som tvinger støbningen ud af matricen. Til sidst fjernes alt overskydende materiale som f.eks. gates, runners og flash.

Udkastningskraft: Denne proces anslås at bruge omkring 1000 til 5000 pund kraft, afhængigt af den del, der skal fremstilles.

Trimningsproces: Skæreværktøjer eller andre bearbejdninger bruges til at fjerne flammer og andet ekstra materiale.

6. Efterbehandling

Den sidste operation, der kan være nødvendig, er efterbehandlingen, som kan omfatte bearbejdning, overfladebehandling, som er en teknisk overfladebehandling som anodisering, pulver- eller vådlakering og kvalitetskontrol af den specifikke støbning.

Bearbejdning:  Nogle af delene skal måske have en bestemt tolerance, som kan opnås ved hjælp af CNC-bearbejdning.

Overfladebehandling: Anodisering er kendt for at øge korrosionsevnen på den ene side, mens pulverlakering på den anden side giver en poleret og hårdfør overflade.

Legeringer brugt i trykstøbning af aluminium

Aluminiumslegering og zinklegering er almindelige trykstøbningsmaterialer, da de bestemmer de elektroniske produkters ydeevne, styrke og levetid. Nogle af de materialer, der bruges i elektronikindustrien, med deres værdier, er som følger:

1. Aluminiumslegeringer (f.eks. A380, A383, A413)

Termisk ledningsevne: 205 W/m-K - Fremragende til varmeafledning i komponenter som kølelegemer og strømforsyninger.

Elektrisk ledningsevne:  35-38 MS/m - Tilstrækkelig til mange elektroniske dele, især i stik og kabinetter.

Trækstyrke:  345 MPa (A380) - En registreret mekanisk belastning, der sikrer, at de anvendte dele er stærke nok til at klare det mekaniske tryk.

Tæthed:  2,7 g/cm³ - Letvægt, ideel til bærbare enheder.

Applikationer:  Elektronisk kølesystem, hus, omformere og fordelingsskabe.

2. Zinklegeringer (f.eks. Zamak 3, Zamak 5)

Termisk ledningsevne: 116 W/m-K - Velegnet til elektronik med lav til middel varme.

Elektrisk ledningsevne: Mindre end aluminium, men den ligger normalt på omkring 30% af kobberets ledningsevne - Velegnet til brug i applikationer, der ikke kræver højt strømflow.

Trækstyrke: 230 MPa (Zamak 3) - Giver god mekanisk styrke til mindre dele.

Tæthed:  6,5 g/cm³ - Tungere end aluminium, men stadig relativt let til forskellige kabinetter.

Applikationer: Et eksempel på støbte aluminiumsdele er tv-huse, rammer til mobiltelefoner, små elektroniske genstande, f.eks. kontakter og monteringsbeslag.

3. Magnesiumlegeringer

Termisk ledningsevne: 156 W/m-K - lavere end aluminium, men stadig tilstrækkeligt til let elektronik.

Elektrisk ledningsevne: Lav - Ikke egnet til applikationer med høj strømstyrke, men god til letvægtshuse.

Trækstyrke: 230 MPa (AZ91D) - Tilstrækkelig styrke til mange letvægtskomponenter.

Tæthed: 1,8 g/cm³ - Det letteste af de trykstøbte materialer, hvilket gør det muligt at reducere den samlede vægt.

Applikationer:  Bærbare elektroniske enheder, bærbare computere og laptops, mobiltelefoner og lette strukturelle komponenter og underenheder.

4. Kobberlegeringer (f.eks. bronze)

Termisk ledningsevne: 390 W/m-K - Dette er især nyttigt for energienheder, der skal frigive varmeenergi i store mængder.

Elektrisk ledningsevne: 59 MS/m (for kobber) - Overlegen elektrisk ledningsevne, ideel til komponenter med høj strømstyrke.

Trækstyrke: 450 MPa (bronze) - Høj styrke til belastningsresistente dele.

Tæthed: 8,9 g/cm³ - Densiteten er højere end aluminium, men giver stor styrke og høj elektrisk ledningsevne.

Applikationer: Strømfordelingssystemer, elektriske stik, koblingsudstyr og samleskinner.

5. Blyfri tinlegeringer

Smeltepunkt: 183°C (for tin-sølv-legeringer) - Den er mere velegnet til brug ved lodning.

Elektrisk ledningsevne:  Lav - Den er velegnet til loddeprocessen snarere end til at føre strøm.

Modstandsdygtighed over for korrosion:  Dette ventilmateriale har den egenskab, at det fungerer godt i lav- og mellemkorrosive atmosfærer og har et middelhøjt indhold af sølv.

Applikationer:  Tilslutning af forskellige komponenter på PCBS, samling af små gadgets og elektroniske enheder og indkapsling af mikroelektroniske enheder er gratis.

6. Tin-sølv-legeringer

Smeltepunkt: 217°C - Velegnet til højtydende lodning.

Elektrisk ledningsevne: Lav - Anvendes til svejsning af kredsløb samt samling af elektroniske komponenter.

Termisk stabilitet:  Høj - Bevarer stabiliteten selv under høj termisk belastning.

Applikationer:  Anvendelser, der er forbundet med lodning i elektroniske systemer med høj pålidelighed, elektroniske enheder, der kræver ekstrem præcision med hensyn til varmeoverførsel.

Alt om trykstøbning af aluminium

Der er flere karakteristiske værdier, som trykstøbt aluminium giver den elektriske industri, og som gør det særligt velegnet til denne industri. De fysiske, mekaniske og elektriske egenskaber, der er omfattet af disse værdier, repræsenterer et bredt spektrum af fysiske og mekaniske og fysiske og elektriske egenskaber, der gør det muligt at bruge trykstøbte aluminiumskomponenter i kritiske anvendelser. Følg os med i en gennemgang af hver enkelt.

1. Termisk ledningsevne: 205 W/m-K

Varmeledningsevne er en af de vigtigste værdier, når det drejer sig om trykstøbning af aluminium til elektriske formål. Varmeledningsevnen måler, hvor godt et materiale leder varme. Det er afgørende for elektriske komponenter, især effektelektronik og motorer, at varmen afledes effektivt for at forhindre overophedning og sikre driftssikkerheden.

Aluminiums varmeledningsevne:  Det har betydeligt højere værdier på 205 W/m-K end andre metaller, der bruges til trykstøbning, som f.eks. stål (50 W/m-K) eller kobber (390 W/m-K).

Fordel:  Til kølelegemer, inverterhuse og lignende typer af komponenter er trykstøbning af aluminium derfor ideel.

Anvendelse: For eksempel bruges kølelegemer i støbt aluminium til at køle LED-drivere, transformatorer og strømforsyningsenheder ved at sørge for termisk styring, hvilket vil undgå forringelse af ydeevnen eller svigt af enheden.

2. Elektrisk ledningsevne: 35-38 MS/m

Udtrykket elektrisk ledningsevne angiver, hvor let et elektrisk ledende materiale lader en elektrisk strøm løbe igennem det. Aluminiums elektriske ledningsevne er kun 62 procent af kobberets, men for de fleste er det et godt alternativ, når der er behov for en høj ledningsevne, men der er begrænsninger i forhold til pris og vægt.

Aluminiums ledningsevne: Det er fremragende til de fleste anvendelser med lav til mellemhøj strøm, dvs. 35-38 MS/m.

Fordel:  Aluminiumsstøbegods bruges til stik, terminaler og samleskinner i elektriske systemer og har brug for en pålidelig leder, der samtidig er billig.

Anvendelse: Aluminium er lettere og mere omkostningseffektivt til højtydende elektriske komponenter, som f.eks. solenergistik, batteriterminaler eller strømfordelingsenheder, og er mindre ledende, men mere end kobber nok.

3. Den naturlige dannelse af et oxidlag (korrosionsbestandighed).

Aluminiums overlegne korrosionsbestandighed er en af de største fordele ved det. Aluminium er naturligt beskyttet af et beskyttende oxidlag, der dannes, når det udsættes for luft, og som beskytter det mod miljøfaktorer som fugt, salt og kemikalier. Grunden til, at de er så gode kandidater til udendørs brug og enheder, der udsættes for hårdt vejr, er et resultat af denne naturlige egenskab.

Fordel: Desuden er aluminiums korrosionsbestandighed særlig vigtig for udendørs kabinetter, solenergiudstyr og elbokse, der udsættes for regn, fugt og andre korrosive forhold.

Anvendelse: I tilfælde af konstant kontakt med miljøet bruges aluminium til at trykstøbe samledåser og udendørs styreenheder til gadebelysning eller trafikstyringssystemer.

4. Massefylde: 2,7 g/cm³

Et materiales massefylde påvirker således både vægten og styrken af materialet, og det er et mål for masse pr. volumenenhed af materialet. Aluminium er med en massefylde på 2,7 g/cm³ et letvægtsmetal. Det vejer cirka en tredjedel af stål (7,85 g/cm³), hvilket gør det til et let metal.

Fordel: Fordi aluminium er let, sænker det vægten af elektriske systemer som helhed, hvilket betyder, at delene bliver lettere at håndtere, transportere og installere. Det er især nyttigt i motor- og batterikabinetter og i forbrugerelektronik.

Anvendelse:  Trykstøbte aluminiumsdele bruges ofte i motorer til elbiler, HVAC-systemer og bærbart elektrisk udstyr for at forbedre effektiviteten og brugervenligheden.

5. Trækstyrke: 345 MPa (A380-legering)

Trækstyrke er et materiales styrke til at modstå træk- eller strækkræfter. Trækstyrken på op til 345 MPa for trykstøbt aluminium, især ved brug af A380-legeringen, gør dem velegnede til mange strukturelle og mekaniske anvendelser i elektroindustrien.

Fordel: Sådanne trykstøbte aluminiumskomponenter har tilstrækkelig styrke til at dække de mekaniske belastninger, samtidig med at de er lette. Når det gælder dele som statorrammer, motorhuse eller endedæksler til elektriske motorer, er det vigtigt at have både styrke og lav vægt.

Anvendelse: Disse styrker omfatter ventilatorblade, motorkabinetter og obotiske maskindele, som alle kan drage fordel af aluminiums styrke i forhold til vægt.

6. Udbyttestyrke: 160-170 MPa (A380-legering)

Flydespændingen angiver, hvor meget materialet kan holde til, før deformationen er permanent. Flydespændingen for A380-legeringer til trykstøbte aluminiumsdele ligger normalt mellem 160 og 170 MPa. Det giver delen den rette strukturelle integritet uden for meget vægt, så delen kan holde sin form over tid.

Fordel:  Mekaniske belastninger gør, at komponenter som f.eks. afbryderhuse, kontrolpaneler og batterikabinetter skal kunne modstå sådanne belastninger og samtidig bevare dimensionsstabiliteten. Det giver aluminium den flydespænding, der forhindrer, at disse dele bliver irreversibelt deformeret.

Anvendelse:  Til strømforsyningsudstyr, hvor komponenterne skal modstå meget høje belastninger, garanterer den høje flydespænding i trykstøbt aluminium, at komponenterne i dette udstyr forbliver intakte og pålidelige.

7. Smeltepunkt: 660°C (1220°F)

Aluminiums smeltepunkt er relativt lavt sammenlignet med andre metaller som kobber eller stål, men det er dog 660 °C (1220 °F). Det gør det muligt at smelte aluminium og forme det til unikke former i trykstøbningsprocessen.

Fordel:  Næsten lige så lavt som aluminiums smeltepunkt er det, at det er let at støbe og tabe hurtigt. Det reducerer produktionstiden, så man kan opnå lavere omkostninger og bedre produktionseffektivitet.

Anvendelse:  Disse hjørner er velegnede til produktion af komponenter til motorer, afbrydere og kølelegemer med indviklede designs og komplekse geometrier, samtidig med at produktionsomkostningerne holdes lave.

8. Genanvendelighed: 100% uden tab af egenskaber

100%'s genanvendelighed er en af de største fordele i aluminiumsverdenen. Når aluminium genbruges, bevarer det alle sine fysiske og mekaniske egenskaber uden at blive nedbrudt. Det hjælper med at opnå en mere bæredygtig fremstillingsproces.

Fordel: Genbrug af aluminium er 95 procent mere effektivt end at producere det nye materiale og er dermed miljøvenligt for el-industrien.

Anvendelse: Genanvendt aluminium bruges i mange elektriske produkter som batterikabinetter, motorhuse og solpaneler for at bidrage til en cirkulær økonomi.

9. Væggens tykkelse: 1,5-4 mm

Trykstøbning af aluminium gør det muligt at fremstille dele med præcise geometrier og vægtykkelser fra 1,5 mm til 4 mm. Det giver mulighed for at designe både lette og strukturelt robuste komponenter til specifikke anvendelser i elektriske applikationer.

Fordel: Med en tyndvægskapacitet på mindre end 1,5 mm kan der produceres elektriske dele med høj detaljeringsgrad og dimensionsnøjagtighed. Små komponenter som stik, relæer og sikringsbokse kræver det.

Anvendelse: Tyndere vægge reducerer også delens vægt i motorhuse, samtidig med at styrke og funktion bevares.

10. Værktøjsomkostninger vs. produktionseffektivitet

Lige nu, trykstøbning af aluminium kan være et dyrt værktøjsforslag ($10.000 til $100.000 afhængigt af kompleksiteten), men sparer i det lange løb med høj produktion og stordriftsfordele. Når formene er lavet, giver trykstøbning dig mulighed for at bygge disse i store mængder til meget lave ekstraomkostninger pr. enhed.

Fordel: Elektriske virksomheder har kapacitet til at producere store mængder for at opfylde verdens behov for elektriske komponenter fra at det er sikkert og pålideligt nok til at udelade det fra produktet.

Anvendelse: Det gør den særligt anvendelig til produktion af meget efterspurgte elektriske dele som strømskinner, el-tavlekabinetter og afbrydere.

Tabel 1: Nøgleegenskaber for aluminium i elektriske anvendelser

Tabel 2: Materialer til trykstøbning til elektronikindustrien

Anvendelser i den elektriske industri

1. Kabinetter og huse

Følsom elektronik er beskyttet mod støv, vand (IP-design), EMI/RFI-interferens og fysisk påvirkning i trykstøbte aluminiumskabinetter.

Et eksempel: Koblingsbokse, inverterhuse og udendørs styreenheder.

Fordel: Korrosionsbestandighed og fremragende varmeafledning i barske miljøer.

2. Varmestyringsenheder og køleplader

Til strømforsyninger er aluminiums høje varmeledningsevne velegnet til at styre varmen i aluminiumsløsninger.

Et eksempel: Transformatorer, batteripakker, afbrydere, køleplader.

Termisk ledningsevne:  205 W/m-K mod stålets 45-60 W/m-K.

3. Motorkomponenter

Den almindelige type trykstøbte elmotordele er dem, der består af rotorhus, statorrammer, endedæksler og ventilatorer.

Det er en fordel:  Lettere struktur sænker energiforbruget i HVAC- og industrisystemer.

4. Stik og klemrækker

Højtolerante og dimensionsstabile præcisionskomponenter.

Forudsætning: ± 0,05 mm snæver tolerance for at opnå elektrisk kontaktintegritet.

5. Afbrydere og dele til koblingsudstyr

Ofte bruges trykstøbte komponenter som aktuatorer, arme, håndtag og kabinetter til at levere interne komponenter, som er mere ensartede og sikre.

Fordele ved trykstøbning af aluminium i elektriske systemer

Præcision og gentagelsesnøjagtighed

Tolerancer på ±0,001" giver en ensartet kvalitet af dyre komponenter i indviklede former, der understøtter kompleksitetsniveauerne.

Masseproduktion

En cyklustid på helt ned til 30 sekunder pr. del er mulig ved produktion af millioner af enheder.

Letvægtsstyrke

Lette, kompakte og lette kabinetter og enheder reduceres dermed.

Modstandsdygtighed over for korrosion

Danner automatisk et beskyttende oxidlag.

Termisk og elektrisk ydeevne

Det giver god, hurtig varmeafledning og stabil elektrisk ledningsevne i systemer med høj belastning.

Omkostningseffektivitet

Når værktøjet er sat op, er omkostningerne pr. enhed meget mindre end ved bearbejdning eller smedning.

Udfordringer i trykstøbning af aluminium

Processen har mange fordele, men der er også nogle begrænsninger i processen, som man skal tage højde for i design og planlægning.

Industriens standarder og overholdelse

Elektriske standarder skal følges ved brug af sådanne komponenter i systemer.

IEC 60529:  Beskyttelsesgrader (IP-klasser) for kabinetter.

UL 508 / UL 94:  For kontrolpaneler og brandfarlighed.

Rohs / REACH:  Sikring af miljø- og sundhedssikkerhed.

ISO 9001 / IATF 16949:  Kvalitetssystemer i produktionen.

De fleste leverandører af trykstøbning i aluminium til overkommelige priser opfylder eller overgår disse standarder, og derfor kan deres produkter bruges på både det nationale og det internationale marked.

Fremtidige tendenser og udsigter

I takt med at verden bliver mere og mere elektrificeret, bliver støbning med aluminiumsforme stadig vigtigere. Her er nogle af vækstdriverne:

Elektriske køretøjer (EVS)

Aluminium er let og har iboende termiske egenskaber, der passer bedst til behovene i batterikabinetter, varmeplader, inverterhuse osv.

Vedvarende energi

Solcelleinverterkasser, vindmøllestik og energilagringsenheder er alle fremstillet af trykstøbt aluminium.

Intelligente elnet og IoT

Alt dette øges dog i takt med, at systemerne bliver mere forbundne, og der stilles krav om kompakte støbte kabinetter med indbyggede antenner og EMI-afskærmning.

Bæredygtighed

I dag er mere end 75% af det producerede aluminium stadig i brug.

Konklusion

I den elektriske industri er trykstøbning af aluminium blevet et vigtigt datterselskab. Kun kulfiber har vist sig at kunne drive det moderne liv sikkert, effektivt og til en overkommelig pris med en uovertruffen kombination af styrke, ledningsevne, termisk ydeevne og designfleksibilitet. Det fortsatte engagement i trykstøbning af aluminium kan ses i alt fra kompakte kontrolhuse til højpræcisionsstik. Denne tidstestede proces er fortsat med at levere til dem, der arbejder med den, da teknologien bliver ved med at forny det elektriske design, en støbning ad gangen.

Ofte stillede spørgsmål: 

1. Hvad er trykstøbning af aluminium?

Trykstøbning af aluminium er en fremstillingsproces, hvor smeltet aluminium sprøjtes ind i formene for at producere nøjagtige, holdbare dele.

2. Så hvorfor bruges aluminium i el-industrien?

Aluminium er let, ledende, holdbart og korrosionsbestandigt og perfekt til brug som en elektrisk komponent som f.eks. kabinetter, køleplader og stik.

3. Hvorfor er trykstøbning af aluminium en fordel i elektriske applikationer?

Fordi den kan tilbyde høj præcision, repeterbarhed, letvægtsstyrke og fremragende termisk og elektrisk ydeevne, er den meget omkostningseffektiv til masseproduktion.

4. Hvor svært er det at støbe aluminium ved hjælp af en matrice?

Nogle af udfordringerne er høje startomkostninger til værktøj, problemer med porøsitet og begrænsninger i støbevæggenes tykkelse (for det meste 1,5-4 mm).