Det moderne samfunnet er svært avhengig av elektroindustrien, som fungerer som et av dets viktigste elementer. Veksten i industrien, både når det gjelder industrielle kraftsystemer og forbrukerelektronikk, er avhengig av ytelse, presisjon og innovasjon. Den omfattende omleggingen av komponentproduksjonen innebærer at støping av aluminium er den viktigste teknikken.Aluminiumstøping er både en produksjonsteknikk og en teknologisk faktor som gjør det mulig å produsere elektriske komponenter med lav vekt, samtidig som den elektriske termiske ytelsen, korrosjonsbestandigheten og den lange levetiden beholdes.

Artikkelen analyserer aluminiumstøping for å forstå hvordan det hjelper elektroindustrien ved å undersøke implementeringsprosessen og løsningsmetodene, sammen med bruksområder og tekniske standarder.

Hva er pressstøping av aluminium?

Ved støping av metall brukes et kraftig trykk for å sprøyte smeltet metall inn i hulrom i støpeformen. Produksjonsformene, som kalles støpeformer, lages vanligvis av herdet verktøystål for å gjøre det lettere å produsere komplekse deler i store volumer.

De foretrukne metallene for pressstøping av aluminium er Aluminium Alloy 380 (A380), Aluminium Alloy 383 (A383) eller Aluminium Alloy 413, fordi de har utmerket flytbarhet, enestående styrke og korrosjonsbestandige egenskaper.

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

Fyllingstid: Mindre enn 0,1-0,2 sekunder

Støpetemperatur (aluminium):  660 °C (1 220 °F)

Oppnåelige toleranser:  ±0,001″ per tomme (±0,025 mm per 25,4 mm)

Den raske innsprøytningen kombinert med et raskt kjølesystem gir komponenter med overlegen dimensjonell presisjon og førsteklasses finish som passer godt til elektriske bruksområder.

Hvorfor bruke aluminium i elektriske applikasjoner?                            

Aluminium har egenskaper som passer for elektroindustrien:

Støpeprosessen for aluminium: Trinn-for-trinn

Pressstøpt aluminium er svært effektive og allsidige deler som produseres ved hjelp av aluminiumstøpeprosessen ved å støpe smeltet aluminium i en form. I prosessen sprøytes smeltet aluminium inn i en stålform under høyt trykk, slik at bedriftene kan lage holdbare komponenter av høy kvalitet. Her følger en detaljert beskrivelse av støpeprosessen for aluminium.

1. Design og fabrikasjon

Formen er det første som designes og lages i denne støpeprosessen. Formen er laget av verktøystål av god kvalitet og består av to halvdeler, kjernehalvdelen (med hulrommet) og ejektorhalvdelen (for å forhindre at delen støpes ut etter støping). Formen er utformet slik at smeltet aluminium kan helles jevnt i hulrommet og få den ønskede formen i smeltet tilstand.

Verktøykostnader: Kostnaden for å lage en matrise kan variere fra $10 000 til $100 000 eller mer hvis delen ikke kan lages med en pressdel.

Materialer som brukes:  H13- eller P20-kvaliteter brukes fordi de er utmerkede når det gjelder varme- og slitestyrke.

2. Smelting av aluminium

Deretter smeltes aluminiumslegeringen. I ovnen varmes aluminiumet opp til temperaturer på rundt 660 °C-700 °C (1220 °F-1292 °F). Aluminium har et smeltepunkt som gjør at det blir smeltet og dermed lett kan støpes i formhulen.

Aluminiumslegeringer:  A380, A383 og A413 er vanlige legeringer på grunn av deres flytbarhet og styrke.

Smeltetid: Det bør ta ca. 20-30 minutter å smelte, avhengig av hvilken type ovn som brukes og legeringen i legeringen.

3. Innsprøyting av smeltet aluminium i matrisen

Deretter smeltes aluminium, og det smeltede aluminiumet overføres deretter til en kald- eller varmkammerstøpemaskin avhengig av prosess. Under kaldkammerprosessen øses smeltet aluminium gjennom i kammeret og injiseres i matrisen under høyt trykk (fra 1 500 psi til 25 000 psi).

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

Syklustid:  Injeksjonstrinnet foregår på 0,1-0,2 sekunder, noe som sikrer produktiviteten.

4. Avkjøling og størkning

Når aluminiumet er satt inn i støpeformen, begynner det å kjøle seg ned og fryse nesten umiddelbart. Denne perioden er svært viktig fordi avkjølingshastigheten påvirker støpestørrelsen og kvaliteten på overflatefinishen. Avkjølingstiden kan ta alt fra 5 til 30 sekunder, avhengig av emnets tykkelse og kompleksitet.

Avkjølingshastighet:  Her ser man at ved raskere avkjøling får man bedre styrke og overflatefinish på emnet.

Størkningstid:  Det er også verdt å merke seg at det kan ta mye lengre tid å størkne når seksjonstykkelsen er tykkere enn når seksjonstykkelsen er tynnere.

5. Utstøting og trimming

Når delen er avkjølt og stivnet, presses den ut av støpeformen. Dette gjøres ved hjelp av ejektorsystemet som presser støpegodset ut av formen. Til slutt fjernes alt overflødig materiale, inkludert grinder, meder og bluss.

Utstøtingskraft: Denne prosessen bruker anslagsvis mellom 1 000 og 5 000 pund kraft, avhengig av hvilken del som skal produseres.

Trimmingsprosessen: Skjæreverktøy eller andre bearbeidingsoperasjoner brukes til å fjerne flammer og annet ekstra materiale.

6. Etterbehandling

Den siste operasjonen som kan være nødvendig, er etterbehandlingen, som kan omfatte maskinering, overflatebehandling, som er en teknisk overflatebehandling som anodisering, pulverlakkering eller våtmaling, og kvalitetskontroll av den spesifikke støpingen.

Maskinering:  Noen av delene må ha en bestemt toleranse, noe som kan oppnås ved hjelp av CNC-maskinering.

Overflatebehandling: Anodisering er kjent for å øke korrosjonsevnen, mens pulverlakkering gir en polert og slitesterk overflate.

Legeringer som brukes i pressstøping av aluminium

Aluminiumslegering og sinklegering er vanlige støpematerialer, ettersom de bestemmer ytelsen, styrken og levetiden til de elektroniske produktene. Noen av materialene som brukes i elektronikkindustrien, med deres verdier, er som følger:

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

Varmeledningsevne: 205 W/m-K - Utmerket for varmespredning i komponenter som kjøleribber og strømforsyningsenheter.

Elektrisk ledningsevne:  35-38 MS/m - Tilstrekkelig for mange elektroniske deler, spesielt i kontakter og kapslinger.

Strekkfasthet:  345 MPa (A380) - En registrert mekanisk belastning som sikrer at delene som brukes er sterke nok til å tåle det mekaniske trykket.

Tetthet:  2,7 g/cm³ - Lett, ideell for bærbare enheter.

Bruksområder:  Elektronisk kjølesystem, hus, omformere og fordelingsskap.

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

Varmeledningsevne: 116 W/m-K - Egnet for elektronikk med lav til middels varme.

Elektrisk ledningsevne: Mindre enn for aluminium, men vanligvis i størrelsesorden 30% av kobberledningsevne - Egnet for bruk i applikasjoner som ikke krever høy strømgjennomgang.

Strekkfasthet: 230 MPa (Zamak 3) - Gir god mekanisk styrke for mindre deler.

Tetthet:  6,5 g/cm³ - tyngre enn aluminium, men likevel relativt lett for ulike kabinetter.

Bruksområder: Et eksempel på støpte aluminiumsdeler er TV-hus, rammer til mobiltelefoner, små elektroniske artikler, for eksempel brytere og monteringsbraketter.

3. Magnesiumlegeringer

Varmeledningsevne: 156 W/m-K - lavere enn aluminium, men likevel tilstrekkelig for lett elektronikk.

Elektrisk ledningsevne: Lav - Ikke egnet for applikasjoner med høy strømstyrke, men bra for lette hus.

Strekkfasthet: 230 MPa (AZ91D) - Tilstrekkelig styrke for mange lette komponenter.

Tetthet: 1,8 g/cm³ - Det letteste av de støpte materialene, noe som gjør det mulig å redusere den totale vekten.

Bruksområder:  Bærbare elektroniske enheter, bærbare datamaskiner og laptoper, mobiltelefoner og lette strukturelle komponenter og underenheter.

4. Kobberlegeringer (f.eks. bronse)

Varmeledningsevne: 390 W/m-K - Dette er spesielt nyttig for kraftapparater som skal avgi varmeenergi i store mengder.

Elektrisk ledningsevne: 59 MS/m (for kobber) - Overlegen elektrisk ledningsevne, ideell for komponenter med høy strømstyrke.

Strekkfasthet: 450 MPa (bronse) - Høy styrke for spenningsbestandige deler.

Tetthet: 8,9 g/cm³ - Tettheten er høyere enn aluminium, men gir stor styrke og høy elektrisk ledningsevne.

Bruksområder: Kraftdistribusjonssystemer, elektriske kontakter, koblingsutstyr og samleskinner.

5. Blyfrie tinnlegeringer

Smeltepunkt: 183 °C (for tinn-sølv-legeringer) - Den er mer egnet til bruk ved lodding.

Elektrisk ledningsevne:  Lav - Den egner seg bedre til loddeprosessen enn til å føre strøm.

Motstandsdyktighet mot korrosjon:  Dette ventilmaterialet har god ytelse i lav- og middels korrosive atmosfærer og middels innhold av sølv.

Bruksområder:  Det er gratis å koble sammen ulike komponenter på PCBS, montere små dingser og elektroniske enheter og innkapsle mikroelektroniske enheter.

6. Tinn-sølv-legeringer

Smeltepunkt: 217 °C - Egnet for lodding med høy ytelse.

Elektrisk ledningsevne: Lav - Brukes ved sveising av kretser og sammenføyning av elektroniske komponenter.

Termisk stabilitet:  Høy - Opprettholder stabiliteten selv under høy termisk belastning.

Bruksområder:  Bruksområder som er forbundet med lodding i elektroniske systemer med høy pålitelighet, elektroniske enheter som krever ekstrem presisjon når det gjelder varmeoverføring.

Alt om pressstøping av aluminium

Det er flere særegne verdier som trykkstøpt aluminium gir elektroindustrien, og som gjør den spesielt egnet for denne bransjen. De fysiske, mekaniske og elektriske egenskapene som disse verdiene omfatter, representerer et bredt spekter av fysiske, mekaniske og elektriske egenskaper som gjør det mulig å bruke pressstøpte komponenter i aluminium i kritiske applikasjoner. Følg oss med en oversikt over hver enkelt av dem.

1. Varmeledningsevne: 205 W/m-K

Varmeledningsevne er en av de viktigste verdiene når det gjelder støping av aluminium til elektriske applikasjoner. Varmeledningsevnen måler hvor godt et materiale leder varme. I elektriske komponenter, spesielt kraftelektronikk og motorer, er det avgjørende å lede bort varmen effektivt for å forhindre overoppheting og sikre driftssikkerheten.

Aluminiums varmeledningsevne:  Det har en betydelig høyere temperatur på 205 W/m-K enn andre metaller som brukes i pressstøping, som stål (50 W/m-K) eller kobber (390 W/m-K).

Fordel:  Derfor er aluminiumstøping ideelt for kjøleribber, inverterhus og lignende typer komponenter.

Søknad: Kjøleribber i støpt aluminium brukes for eksempel til å kjøle ned LED-drivere, transformatorer og strømforsyningsenheter ved å sørge for varmestyring, slik at man unngår at ytelsen forringes eller at enheten svikter.

2. Elektrisk ledningsevne: 35-38 MS/m

Begrepet elektrisk ledningsevne betegner hvor lett et elektrisk ledende materiale lar en elektrisk strøm passere gjennom seg. Aluminiums elektriske ledningsevne er bare 62 prosent av kobberets, men for de fleste er det et godt alternativ når det er behov for høy ledningsevne, men det finnes kostnads- og vektbegrensninger.

Aluminiums ledningsevne: Dette er utmerket for de fleste bruksområder med lav til middels strømstyrke, dvs. 35-38 MS/m.

Fordel:  Støpegods i aluminium brukes til kontakter, klemmer og samleskinner i elektriske systemer og krever en pålitelig leder som samtidig er billig.

Søknad: Aluminium er lettere og mer kostnadseffektivt for elektriske komponenter med høy ytelse, for eksempel solenergikontakter, batteripoler eller strømfordelingsenheter, og er mindre ledende, men mer enn kobber nok.

3. Den naturlige dannelsen av et oksidlag (korrosjonsbestandighet).

En av de viktigste fordelene med aluminium er den overlegne korrosjonsbestandigheten. Aluminium er naturlig beskyttet av et beskyttende oksidlag som dannes når det utsettes for luft, og som beskytter det mot miljøfaktorer som fuktighet, salt og kjemikalier. Det er denne naturlige egenskapen som gjør at aluminium egner seg så godt til utendørs bruk og til enheter som utsettes for vær og vind.

Fordel: I tillegg er korrosjonsbestandigheten til aluminium spesielt viktig for utendørs kapslinger, solenergiutstyr og elektriske bokser som utsettes for regn, fuktighet og andre korrosive forhold.

Søknad: I tilfeller der det er konstant kontakt med omgivelsene, brukes aluminium til å støpe koblingsbokser og utendørs kontrollenheter for gatebelysning eller trafikkstyringssystemer.

4. Tetthet: 2,7 g/cm³

Tettheten til et materiale påvirker altså både vekten og styrken til materialet, og den er et mål på masse per volumenhet av materialet. Aluminium, som har en tetthet på 2,7 g/cm³, er et lettmetall. Vekten er omtrent en tredjedel av stål (7,85 g/cm³), noe som gjør det til et lettmetall.

Fordel: Fordi aluminium er lett, senker det vekten på elektriske systemer som helhet, noe som betyr at delene blir enklere å håndtere, transportere og installere. Dette er spesielt nyttig i motorer, batterikapslinger og forbrukerelektronikk.

Søknad:  Støpte deler i aluminium brukes ofte i elbilmotorer, HVAC-systemer og bærbart elektrisk utstyr for å forbedre effektiviteten og brukervennligheten.

5. Strekkfasthet: 345 MPa (A380-legering)

Strekkfasthet er et materials styrke til å motstå trekk- eller strekkrefter. Strekkfastheten på opptil 345 MPa for støpegods i aluminium, spesielt ved bruk av A380-legeringen, gjør dem egnet for mange strukturelle og mekaniske bruksområder i elektroindustrien.

Fordel: Slike pressstøpte aluminiumskomponenter har tilstrekkelig styrke til å dekke de mekaniske påkjenningene, samtidig som de er lette. Når det gjelder deler som statorrammer, motorhus eller endedeksler til elektriske motorer, er det viktig å ha både styrke og lav vekt.

Søknad: Dette gjelder blant annet vifteblader, motorkapslinger og obotiske maskindeler, som alle kan dra nytte av styrken til aluminium i forhold til vekt.

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

Strekkgrensen angir hvor stor belastning materialet tåler før deformasjonen blir permanent. Strekkgrensen for A380-legering for støpte aluminiumsdeler ligger vanligvis mellom 160 og 170 MPa. Det gir delen den riktige strukturelle integriteten, uten for mye vekt, slik at delen kan holde formen over tid.

Fordel:  Mekaniske belastninger gjør at komponenter som effektbryterhus, kontrollpaneler og batterikapslinger må kunne tåle slike belastninger samtidig som de opprettholder dimensjonsstabiliteten. Dette gir aluminium en flytegrense som forhindrer at disse delene deformeres irreversibelt.

Søknad:  For kraftdistribusjonsutstyr der komponentene må tåle svært høye påkjenninger, garanterer den høye flytegrensen til pressstøpt aluminium at komponentene i dette utstyret forblir intakte og pålitelige.

7. Smeltepunkt: 660 °C (1220 °F)

Aluminiums smeltepunkt er relativt lavt sammenlignet med andre metaller som kobber og stål, men det ligger likevel på 660 °C (1220 °F). Dette gjør det mulig å smelte aluminium og forme det til unike former i pressstøpeprosessen.

Fordel:  Nesten like lavt som smeltepunktet til aluminium er, er det at det støpes og mistes lett og raskt. Dette reduserer produksjonstiden, noe som gir lavere kostnader og bedre produksjonseffektivitet.

Søknad:  Disse hjørnene egner seg for produksjon av komponenter til motorer, effektbrytere og kjøleribber med intrikate design og komplekse geometrier, samtidig som produksjonskostnadene holdes lave.

8. Resirkulerbarhet: 100% uten tap av egenskaper

100%s resirkulerbarhet er en av de største fordelene i aluminiumverdenen. Når aluminium resirkuleres, beholder det alle sine fysiske og mekaniske egenskaper uten å forringes. Det bidrar til å oppnå en mer bærekraftig produksjonsprosess.

Fordel: Resirkulering av aluminium er 95 prosent mer effektivt enn å produsere nytt materiale, og er dermed miljøvennlig for elektroindustrien.

Søknad: Resirkulert aluminium brukes i mange elektriske produkter som batterikapslinger, motorhus og solcellepaneler for å bidra til en sirkulær økonomi.

9. Veggtykkelse: 1,5-4 mm

Aluminiumtrykkstøping gjør det mulig å produsere deler med presise geometrier og veggtykkelser fra 1,5 mm til 4 mm. Dette gjør det mulig å designe både lette og strukturelt robuste komponenter for spesifiserte bruksområder i elektriske applikasjoner.

Fordel: Med en tynnvegg på mindre enn 1,5 mm kan man produsere elektriske deler med høy detalj- og dimensjonsnøyaktighet. Små komponenter som kontakter, releer og sikringsbokser krever det.

Søknad: Tynnere vegger reduserer også delens vekt i motorhus, samtidig som styrke og funksjon opprettholdes.

10. Verktøykostnader vs. produksjonseffektivitet

For øyeblikket, trykkstøping av aluminium kan være en kostbar verktøyinvestering ($10 000 til $100 000 avhengig av kompleksitet), men gir besparelser i det lange løp med høy produksjon og stordriftsfordeler. Etter at formene er laget, kan du ved hjelp av pressstøping bygge disse i store volumer til en svært lav ekstrakostnad per enhet.

Fordel: Elektriske selskaper har kapasitet til å produsere store volumer for å fylle verdens behov for elektriske komponenter fra at det er trygt og pålitelig nok til å la det være ute av produktet.

Søknad: Dette gjør den spesielt nyttig for produksjon av elektriske deler med høy etterspørsel, som samleskinner, elektriske tavlekabinetter og effektbrytere.

Tabell 1: De viktigste egenskapene til aluminium i elektriske applikasjoner

Tabell 2: Støpematerialer for elektronikkindustrien

Bruksområder i elektrobransjen

1. Kapslinger og hus

Sensitiv elektronikk er beskyttet mot støv, vann (IP-design), EMI/RFI-forstyrrelser og fysisk påvirkning i kapslinger av trykkstøpt aluminium.

Eksempel: Koblingsbokser, omformerhus og utendørs kontrollenheter.

Fordel: Motstandsdyktig mot korrosjon og utmerket varmespredning i tøffe miljøer.

2. Varmestyringsenheter og kjøleribber

For strømforsyninger er aluminiums høye varmeledningsevne godt egnet til å håndtere varme i aluminiumløsninger.

Eksempel: Transformatorer, batteripakker, strømbrytere, kjøleribber.

Varmeledningsevne:  205 W/m-K mot stålets 45-60 W/m-K.

3. Motorkomponenter

Den vanligste typen støpte deler til elektriske motorer er de som består av rotorhus, statorrammer, endedeksler og vifter.

Fordel:  Lettere struktur reduserer energiforbruket i HVAC- og industrisystemer.

4. Koblinger og rekkeklemmer

Presisjonskomponenter med høy toleranse og dimensjonsstabilitet.

Krav: ± 0,05 mm tett toleranse for å oppnå elektrisk kontaktintegritet.

5. Deler til effektbrytere og koblingsutstyr

Ofte brukes pressstøpte komponenter som aktuatorer, armer, spaker og kabinetter for å gi interne komponenter som er mer konsistente og sikre.

Fordeler med pressstøping av aluminium i elektriske systemer

Presisjon og repeterbarhet

Toleranser på ±0,001" gir jevn kvalitet på kostbare komponenter i intrikate former for å støtte kompleksitetsnivåene.

Masseproduksjon

En syklustid på så lite som 30 sekunder per del er mulig for produksjon av millioner av enheter.

Lett styrke

Dermed reduseres antallet lette, kompakte og lette skap og enheter.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

Danner automatisk et beskyttende oksidlag.

Termisk og elektrisk ytelse

Det gir god og rask varmespredning og stabil elektrisk ledningsevne i systemer med høy belastning.

Kostnadseffektivitet

Når verktøyet er satt opp, er kostnaden per enhet mye lavere enn ved maskinering eller smiing.

Utfordringer innen pressstøping av aluminium

Prosessen har mange fordeler, men det er også noen begrensninger som må tas hensyn til i design og planlegging.

Bransjestandarder og samsvar

Elektriske standarder må følges for bruk av slike komponenter i systemer.

IEC 60529:  Beskyttelsesgrader (IP-klassifiseringer) for kapslinger.

UL 508 / UL 94:  For kontrollpaneler og brennbarhetsklassifiseringer.

Rohs / REACH:  Sikre miljø- og helsesikkerhet.

ISO 9001 / IATF 16949:  Kvalitetssystemer i produksjonen.

De fleste rimelige leverandører av aluminiumstøpegods oppfyller eller overgår disse standardene, og produktene deres kan derfor brukes i både nasjonale og internasjonale markeder.

Fremtidige trender og utsikter

Etter hvert som verden går over til elektrifisering, blir støping med aluminiumform stadig viktigere. Her er noen av drivkreftene bak veksten:

Elektriske kjøretøyer (EVS)

Aluminium er lett og har iboende termiske egenskaper som er best egnet for batterikapslinger, varmeplater, omformerhus osv.

Fornybar energi

Solcelleomformere, vindturbinkontakter og energilagringsenheter er alle laget av aluminiumstøpegods.

Smarte nett og IoT

Alt dette øker imidlertid i takt med at systemene blir mer sammenkoblet, og det stilles krav til kompakte støpte kabinetter med innebygde antenner og EMI-skjerming.

Bærekraft

I dag er mer enn 75% av aluminiumet som ble produsert, fortsatt i bruk.

Konklusjon

I elektrobransjen har aluminiumstøping blitt et uunnværlig datterselskap. Kun karbonfiber har vist seg å kunne gi trygg, effektiv og rimelig kraft til moderne liv med en uovertruffen kombinasjon av styrke, ledningsevne, termisk ytelse og designfleksibilitet. Aluminiumstøpingen fortsetter å engasjere seg i alt fra kompakte kontrollhus til høypresisjonskontakter. Denne tidstestede prosessen har fortsatt å levere til dem som jobber med den, i takt med at teknologien fortsetter å innovere elektrisk design, ett støpegods om gangen.

Vanlige spørsmål: 

1. Hva er pressstøping av aluminium?

Aluminiumstøping er en produksjonsprosess der smeltet aluminium sprøytes inn i formene for å produsere nøyaktige og holdbare deler.

2. Så hvorfor brukes aluminium i elektroindustrien?

Aluminium er lett, ledende, slitesterkt og korrosjonsbestandig, og er perfekt til bruk som elektriske komponenter, for eksempel i kabinetter, kjøleribber og kontakter.

3. Hvorfor er det gunstig å støpe aluminium i elektriske applikasjoner?

Fordi den kan tilby høy presisjon, repeterbarhet, lav vekt og utmerket termisk og elektrisk ytelse, er den svært kostnadseffektiv for masseproduksjon.

4. Hvor vanskelig er det å støpe aluminium ved hjelp av en matrise?

Noen av utfordringene er høye innledende verktøykostnader, porøsitetsproblemer og begrensninger i tykkelsen på støpeveggene (for det meste 1,5-4 mm).