Denne artikel vil diskutere trykstøbning af aluminium i detaljer. Lær de vigtigste anvendelser af denne teknik sammen med en oversigt over processen, legeringstyper, designovervejelser, udfordringer osv.

Hvad er trykstøbning af aluminium?

Trykstøbning af aluminium bruger højt tryk (100-1000 bar), mens det smeltede aluminium føres ind i formene. Disse matricer er normalt lavet af stål og kan genbruges.

Formfyldning afhænger af det smeltede metals fluiditet. Den optimale flydende form fylder formen øjeblikkeligt (inden for få sekunder). Dette materiale får den faktiske form, mens det afkøles. F.eks. motorblokke til biler, rammer til smartphones eller dronekomponenter.

Denne fremstillingsproces er optimal til at fremstille mere end 10.000 identiske produkter hurtigt og billigt.

Processens fysik

Højt tryk (100-1000 bar):

Jo højere trykket er, desto mere jævnt spredes aluminiummet inde i matricen og fylder de mindste huller. Dette tryk fjerner bobleforekomster og opretholder en glat overgang i overfladerne. For eksempel kan 500 bar fylde matricen på kun 0,02 sekunder.

Hurtig afkøling (500-1000 °C pr. sekund):

Aluminiummet afkøles 100 gange hurtigere i HPDC end i sandstøbning og tager form som et egentligt produkt. Det er det, afkølingshastigheden gør: Den skaber en tæt mikrostruktur med fine krystalkorn (0,01 mm). Det giver dem 20-30% mere styrke end dem, der fremstilles ved langsommere indstillinger.

Typer af trykstøbemaskiner

Maskiner med varmt kammer:

Varmkammermaskiner bruger for det meste metaller med lavere smeltepunkter, som f.eks. zink (420 °C). Det skyldes, at de ikke kan håndtere legeringer med høje smeltepunkter som aluminium ved 660 °C. Selv om du stadig støber aluminium i en varmekammermaskine, kan det beskadige udstyret.

Maskiner med koldt kammer:

Koldkammermaskiner fungerer godt med metaller med moderat temperatur som aluminium. I denne proces forbereder trykstøbere den smeltede form af legeringen. De fylder den i stemplet for at sprøjte materialet ind i matricen under et tryk på op til 1000 bar. Denne teknik tager dog længere tid (cyklustid: 30-60 sekunder), men er meget mere sikker til hårde materialer.

Egnethed til aluminiumslegeringer

Egnede aluminiumslegeringer omfatter A380 (85% aluminium, 8% silicium) og A383 (84% aluminium, 10,5% silicium). Disse legeringer kan tåle høje tryk og undgår at revne under afkøling. For eksempel fylder A380-metallet jævnt ud i formen og skaber en fin vægtykkelse, der er så tynd som 1 mm.

Sammenligning af trykstøbningsteknikker

Nøgleoplysninger om trykstøbning

• Produktionshastigheden på en enkelt HPDC-maskine kan producere 100-200 i timen.
• De første opsætninger koster omkring 50.000-1 million. Men prisen pr. enhed falder med op til $0,50 for store ordrer på over 50.000 enheder.
• Du kan bore huller helt ned til 1,5 mm.
• Denne proces fremstiller dele med vægge så tynde som 0,8 mm.
• Brug af stål kan øge holdbarheden til omkring 50.000-500.000 cyklusser.

Trykstøbningsprocessen for aluminium

1. Værktøjsdesign og -fremstilling

Design af matrice:

Matricedesigns indeholder den næsten færdige form på det produkt, der skal produceres. Dens vigtigste opgave er at omdanne smeltet aluminium til disse former. Det betyder, at designperfektionerne (dimension, tykkelse osv.) giver dig mulighed for at få dele i fin kvalitet.

Gatesystemer

Gating-kanaler er de måder, hvorpå smeltet aluminium flyder mod matricen. De er almindeligvis 3-8 mm brede. For at regulere metalstrømningshastigheden (1-5 m/s) undgår man turbulens og luftindeslutning.

Design af løbere:

Kanalsystemer fordeler eller spreder metallet jævnt inde i matricen. Deres tykkelse varierer fra 5 til 15 mm. Det reducerer også uoverensstemmelser i tilfælde af, at man undgår den forkerte form.

Udluftning:

Der er små åbninger, 0,1-0,3 mm brede, monteret på maskinen. De hjælper med at fjerne indespærret luft for at reducere defekter som porøsitet og luftlommer.

Kølekanaler:

Kølekanaler er som rør. De gennemstrømmer trykstøbningsvand med 10-20 liter i minuttet. Deres systemer opretholder temperaturer mellem 200-300 °C for at forberede delene til udstøbning. Denne opretholdelse af temperaturen er vigtig for at forhindre overophedning og få ensartede strukturer.

Die-materialer:

Almindeligt anvendt H13-stål har en hårdhed på 45-50 HRC. Der er også allerede naturlige højstyrke- og slidstyrkeegenskaber i dette metal. Det er i stand til at modstå 50.000-500.000 støbecykler.

Simuleringssoftware:

Værktøjer som AutoCAST er nyttige i HPDC-processen, da de forudsiger værktøjssvigt tidligt. Du kan optimere metalflowet og placere gating-kanalen bedre. Ved at gøre dette bliver det muligt at reducere fejl med op til 30%, før produktionen begynder.

Vedligeholdelse af dyser:

For at vedligeholde matricen er det værdifuldt at påføre smørespray hver 5. til 10. cyklus. Det forhindrer metallet i at klæbe og sikrer en jævn udstødning.

2. Valg og forberedelse af materialer

Aluminiumslegeringer:

Det vigtigste er ikke bare at vælge aluminiumslegeringer. Det afhænger af kravene til støbningen, som har indflydelse på styrke, flydeevne og anvendelsesmuligheder.

• A380: Flyder let og giver høj styrke. Producenter bruger det ofte i bildele.
• ADC12: Dette metal fungerer godt til elektroniske huse og tyndvæggede dele (1-2 mm tykke). Det flyder jævnt og reducerer defekter. De kan også producere dybt nøjagtige dele.

Smeltekvalitet:

Logisk set giver vedligeholdelse af aluminiumsrenhed fejlfri og stærke dele. Det er det, der er formålet med holdningsovne. De holder smeltet aluminium ved 660-700 °C og forhindrer størkning. Derudover vil den indesluttede brint, der afgasning fjerner ved hjælp af nitrogengas reducerer faktisk porøsiteten med 90% og forhindrer indre hulrum.

3. Smeltning og hældning

• Smelteovnen er en gasfyret ovn. Producenten bruger den til at smelte faste pellets af aluminium ved temperaturer på 700-750 °C. Det sikrer en ensartet smeltet tilstand.
• Holdeovnen opbevarer det smeltede aluminium. De holder dem flydende ved kontrollerede temperaturer, indtil produktionscyklussen er afsluttet.
• Ram- og shot sleeves-delene af processen tvinger simpelthen metallet ind i formhulrummet med 4-10 m/s under højt tryk. Deres opgave er at fylde formen helt og lave en ordentlig komprimering.
• Trykstøbemaskiner automatiserer de mekaniske systemer til indsprøjtning. Det sikrer skarpt detaljerede resultater og repeterbarhed i støbte dele.
• Maskiner med koldt kammer bruger et stempel. Den indsprøjter metallet og gennemfører cyklusser på 30-60 sekunder for at opnå høj effektivitet.

4. Indsprøjtning og størkning

Første fase: Det smeltede materiale fylder 80-90% af formens hulrum. Det tager 0,01-0,1 sekunder at sprøjte det ind. Sørg for, at materialet fylder hullerne jævnt ud og når ud til hvert hjørne af matricen.

Anden fase: Producenten anvender højt tryk (200-400 bar). Det fjerner lufthuller og giver tæt kvalitet og strukturel integritet.

Afkøling: Trykstøbningsvand eller køleluft afkøler hurtigt det indsprøjtede metal ved 500-1000 °C pr. sekund. I løbet af dette får de effektivt en stærk mikrostruktur med fine kornstørrelser (0,01-0,05 mm).

5. Udkastning og efterbehandling

Når emnet er størknet, hjælper udstødningsstifterne med at fjerne støbningen fra formen på en sikker måde. Den udøver en kraft på 5-20 tons.

I mellemtiden bruger slukningstanken vand til at afkøle støbedele hurtigt i 10-30 sekunder. Denne ekstra proces forhindrer vridning og forbedrer materialets egenskaber.

Derudover bruger trimmemaskiner 20-50 tons kraft til at skære metalrester (gates, flash). Det hjælper dig med at lave dele af højere kvalitet.

Afdelingen for efterbehandling:

Producenter bruger afgratningsteknikken til at fjerne skarpe kanter. Disse processer giver glatte overflader og opnår en ruhedsværdi på Ra 1,6-3,2 µm.

De præcise huller og funktioner, som bearbejdningen giver, skaber snævre tolerancer (±0,05 mm). Resultatet er, at produktet til sidst opfylder særlige specifikationer.

7. Håndtering af affald

Trykstøbere omsmelter eller genbruger 5-10% aluminiumsaffald. Fordi genbrug af skrot reducerer omkostningerne til råmetal.

Det affald, der kommer fra smøremidler og metalrester, kan behandles i spildevandsrensningssystemet. Denne slam- og oliebehandling fjerner 95% af forurenende stoffer før bortskaffelse.

Derudover bruger producenterne udstødningsrensere. Deres opgave er at håndtere emissioner ved at filtrere skadelige gasser. Disse værktøjer hjælper med at få en 99%-succesrate med at reducere luftforureningen.

Bæredygtige ressourcer som køletårne recirkulerer 80% af det brugte vand. Disse teknikker minimerer også miljøpåvirkningen.

Anvendelser og brancher

Biler

Det er blevet opdaget, at over 200 kg aluminium pr. køretøj i europæisk producerede biler er almindeligt anvendt. Derudover producerer bilindustrien forskellige lette og stærke dele med HPDC-processen. For eksempel motorblokke, viskermotorhuse, AC/DC-regulatorer, batterihuse osv.

Luft- og rumfart

De rumfartsdele, der produceres med trykstøbt aluminium, bliver stærkere og lettere i vægt. For eksempel har flybeslag og satellitter en trækstyrke på op til 300 MPa. Resultatet er, at delene fungerer godt og bruger mindre brændstof.

Forbrugsgoder

Trykstøbningsprocessen er nyttig til fremstilling af dele med tynde vægge. Det gælder især for forbrugsvarekategorier. For eksempel kan man lave elektroniske kabinetter til bærbare computere og telefoner med vægge, der er helt ned til 1 mm tynde. Producenter fremstiller mere end 50.000 (om året) vaskemaskiner ved hjælp af denne teknik.

Industrielt udstyr

Til komponenter, der kan modstå højere tryk (op til 100 bar), er det værdifuldt at vælge trykstøbte dele som f.eks. pumpehuse og ventiler. Disse dele har lækagesikre stoffer og en finishruhed, der svinger mellem Ra 1,6 og 3,2 µm.

Fordele ved trykstøbning af aluminium

• Denne proces kan virkelig støbe dele med en snæver tolerance på ±0,1 mm (5 gange bedre end sandstøbning).
• Det giver en perfekt pasform.
• Delene har glatte overflader (så fine som Ra 1,6 µm)
• Reducer efterbehandlingen.
• Aluminiumslegeringerne er 100% genanvendelige.
• Denne proces bruger 40-50% mindre strøm end sandstøbning.
• Det sænker CO2-aftrykket.
• De støbte dele er stærke og vejer kun halvt så meget som stål.
• Masseproduktion sænker omkostningerne pr. del.

Udfordringer og begrænsninger

Delstørrelse og kompleksitet:

Der er en begrænsning på den maksimale størrelse, hvilket skyldes, at den kan producere ca. 600 x 600 mm (ca. en bildørs mål).

Tynde vægge under 0,8-1,5 mm vil medføre ufuldstændig fyldning. Dette behov overstiger indsprøjtningshastigheder på op til 4 m/s. Desuden kan det være svært at gengive komplicerede detaljer under 0,5 mm.

Materialegrænser:

Denne proces er kun velegnet til specielle legeringer som A380. Det er på grund af dens gode flydeevne og støbeegenskaber.

Almindelige defekter

Luftindeslutning forårsager gasporøsitet, og når disse gasser udvider sig, omdannes det til defekter som f.eks. blærer. Dette sker ofte i tykkere dele (under 10 mm) og kan kontrolleres ved hjælp af afgasning.

På samme måde opstår der krympeporøsitet og revner, når afkølingshastigheden er ujævn og falder til under 500 °C/s. For at undgå dette kan et tryk på 200-400 bar opretholde tætheden og integriteten under størkningen.

Test og kontrol:

Du skal bare forudsige dit projekts resultater og være et par skridt foran via Ikke-destruktiv afprøvning. Et røntgeninspektionssystem bruger et rørhoved. Det er det punkt, hvor fokalpunktet udsender stråler på tværs af støbningen. Tilstedeværelsen af et hulrum ændrer røntgengennemtrængningen. Det giver et unikt billede, som forenkler analysen.

På samme måde hjælper ultralydstest med at lokalisere indvendige revner inden for 2-5 sekunder pr. emne. Deres sensorer overvåger indsprøjtningshastighed (±0,1 m/s) og tryk (±10 bar). Det giver derfor sikkerhed for ensartet kvalitet.

Konklusion:

Trykstøbning af aluminium er en pålidelig proces. De fleste sektorer, herunder bilindustrien, rumfart og elektronik, bruger den på grund af dens overkommelige pris og høje ledningsevne til store ordrer.

Det er den mulighed, der fungerer til at få nøjagtige former og en glat finish, mens man bruger mindre energi. Selv om det ikke er det, er der udfordringer som størrelsesgrænser og lejlighedsvise fejl. Derfor holder moderne test og kontrol produktionen stabil.