In dit artikel wordt het aluminium spuitgieten in detail besproken. Leer de belangrijkste toepassingen van deze techniek, samen met een overzicht van het proces, soorten legeringen, ontwerpoverwegingen, uitdagingen, enz.

Wat is spuitgieten onder druk van aluminium?

Bij aluminium hogedrukgieten wordt een hoge druk (100-1000 bar) gebruikt om het gesmolten aluminium in de matrijzen te voeren. Deze matrijzen zijn meestal gemaakt van staal en kunnen herbruikbaar zijn.

Het vullen van de mal hangt af van de vloeibaarheid van het gesmolten metaal. De optimale vloeibare vorm vult de mal onmiddellijk (binnen enkele seconden). Dit materiaal neemt de eigenlijke vorm van het onderdeel aan terwijl het afkoelt. Bijvoorbeeld motorblokken van auto's, smartphoneframes of onderdelen van drones.

Dit productieproces is optimaal om snel en goedkoop meer dan 10.000 identieke producten te maken.

Fysica van het proces

Hoge druk (100-1000 bar):

Hoe hoger de druk, hoe gelijkmatiger het aluminium in de matrijs wordt verspreid en de kleinste openingen worden opgevuld. Deze druk verwijdert het voorkomen van bellen en zorgt voor een gladde overgang in oppervlakken. Met 500 bar kan de matrijs bijvoorbeeld in slechts 0,02 seconde worden gevuld.

Snel koelen (500-1000°C per seconde):

Het aluminium koelt 100x sneller af in HPDC dan bij zandgieten en neemt de vorm aan van een echt product. Dit is wat koelsnelheid doet: het creëren van een dichte microstructuur met fijne kristalkorrels (0,01 mm). Hierdoor zijn ze 20-30% sterker dan producten die met langzamere opties worden gemaakt.

Soorten spuitgietmachines

Warme kamer machines:

Warmkamermachines gebruiken meestal metalen met een lager smeltpunt, zoals zink (420°C). Dit komt omdat ze niet overweg kunnen met legeringen met hoge smeltpunten zoals aluminium bij 660°C. Zelfs als je toch aluminium giet in een hete kamer machine, kan dit de apparatuur beschadigen.

Koudekamermachines:

Koudkamermachines werken goed met metalen van gemiddelde temperatuur, zoals aluminium. In dit proces bereiden spuitgieters de gesmolten vorm van de legering voor. Ze laden het in de zuiger om het materiaal onder druk tot 1000 bar in de matrijs te injecteren. Deze techniek duurt echter langer (cyclustijd: 30-60 seconden), maar is veel veiliger voor taaie materialen.

Geschiktheid voor aluminiumlegeringen

Geschikte aluminiumlegeringen zijn onder andere A380 (85% aluminium, 8% silicium) en A383 (84% aluminium, 10,5% silicium). Deze legeringen zijn bestand tegen hoge druk en voorkomen barsten tijdens het koelen. Zo vult A380-metaal de matrijs soepel, waardoor een fijne wanddikte van slechts 1 mm ontstaat.

Vergelijking van spuitgiettechnieken

Belangrijkste details over druk spuitgieten

• De productiesnelheid van een enkele HPDC machine kan 100-200 per uur produceren.
• De initiële setups kosten ongeveer 50.000-1 miljoen. De kosten per eenheid dalen echter tot $0,50 voor grote orders van meer dan 50.000 eenheden.
• Je kunt gaten boren tot 1,5 mm.
• Dit proces maakt onderdelen met wanden zo dun als 0,8 mm.
• Het gebruik van staal kan de duurzaamheid verhogen tot ongeveer 50.000-500.000 cycli.

Het gietproces van aluminium onder druk

1. Tooling ontwerp en productie

Matrijsontwerp:

Matrijsontwerpen bevatten de bijna-nettovorm van het product dat wordt geproduceerd. De belangrijkste taak is om gesmolten aluminium om te zetten in die vormen. Dit betekent dat de perfectie van het ontwerp (afmetingen, dikte, enz.) ervoor zorgt dat je onderdelen van fijne kwaliteit krijgt.

Afsluitsystemen

Gating channels zijn de manieren waarop gesmolten aluminium naar de matrijs stroomt. Ze zijn meestal 3-8 mm breed. Om de metaalstroomsnelheid (1-5 m/s) te regelen, worden turbulentie en luchtinsluiting vermeden.

Ontwerp loper:

Runnersystemen verdelen of verspreiden het metaal gelijkmatig in de matrijs. Hun dikte varieert van 5 tot 15 mm. Het vermindert ook inconsistenties bij het vermijden van de verkeerde vorm.

Ontluchting:

Er zijn kleine openingen van 0,1-0,3 mm breed op de machine gemonteerd. Ze helpen bij het verwijderen van ingesloten lucht om defecten zoals poreusheid en luchtzakken te verminderen.

Koelkanalen:

Koelkanalen zijn als buizen. Ze stromen 10-20 liter spuitgietwater per minuut. Hun systemen handhaven temperaturen tussen 200-300°C om de onderdelen voor te bereiden op het uitwerpen. Dit op temperatuur houden is belangrijk om oververhitting te voorkomen en uniforme structuren te krijgen.

Materiaal matrijs:

Veel gebruikt staal H13 heeft een hardheid van 45-50 HRC. Ook heeft dit metaal al natuurlijke eigenschappen met een hoge sterkte en slijtvastheid. Het is bestand tegen 50.000-500.000 gietcycli.

Simulatiesoftware:

Gereedschappen zoals AutoCAST zijn nuttig in het HPDC-proces, omdat ze gereedschapstoring vroegtijdig kunnen voorspellen. U kunt de metaalstroom optimaliseren en het geleidingskanaal beter plaatsen. Hierdoor wordt het mogelijk om defecten tot 30% te verminderen voordat de productie begint.

Onderhoud van matrijzen:

Om de matrijs te onderhouden, is het nuttig om elke 5 tot 10 cycli een glijspray aan te brengen. Het stopt het kleven van metaal en zorgt voor een soepele uitwerping.

2. Materiaalkeuze en voorbereiding

Aluminiumlegeringen:

Het belangrijkste is niet alleen om aluminiumlegeringen te kiezen. Het hangt af van de gietvereisten, die van invloed zijn op sterkte, vloeibaarheid en geschiktheid voor toepassingen.

• A380: Dit vloeit gemakkelijk en geeft een hoge sterkte. Fabrikanten gebruiken het vaak in auto-onderdelen.
• ADC12: Dit metaal werkt goed voor elektronische behuizingen en dunwandige onderdelen (1-2 mm dik). Het vloeit soepel en vermindert defecten. Bovendien kan het zeer nauwkeurige onderdelen produceren.

Smeltkwaliteit:

Logischerwijs zorgt het onderhoud van de zuiverheid van aluminium voor defectvrije en sterke onderdelen. Dit is waar houdovens voor dienen. Ze houden gesmolten aluminium op 660-700°C, waardoor stolling wordt voorkomen. Bovendien wordt de ingesloten waterstof die ontgassing verwijdert met stikstofgas vermindert de porositeit met 90% en voorkomt interne holtes.

3. Smelten en gieten

• De smeltoven is een gasoven. De fabrikant gebruikt hem om vaste aluminiumkorrels te smelten bij temperaturen van 700-750°C. Het zorgt voor een consistente gesmolten toestand.
• De holding oven slaat het gesmolten aluminium op. Ze houden het vloeibaar bij gecontroleerde temperaturen totdat de productiecyclus is voltooid.
• Rammen en shot sleeves in het proces duwen het metaal onder hoge druk met een snelheid van 4-10 m/s in de matrijsholte. Hun taak is om de matrijs volledig te vullen en goed te verdichten.
• Spuitgietmachines automatiseren de mechanische systemen van het spuitgieten. Het zorgt voor zeer gedetailleerde resultaten en herhaalbaarheid in gegoten onderdelen.
• Koudkamermachines gebruiken een plunjer. Deze injecteert het metaal en voltooit cycli in 30-60 seconden voor een hoge efficiëntie.

4. Spuiten en stollen

Eerste stadium: Het gesmolten materiaal vult 80-90% van de matrijsholte. Het injecteren duurt 0,01-0,1 seconden. Zorg ervoor dat het materiaal gelijkmatig de openingen vult en elke matrijshoek bereikt.

Tweede trap: De fabrikant past hoge druk toe (200-400 bar). Dit verwijdert luchtlekken en zorgt voor een dichte kwaliteit en structurele integriteit.

Koeling: Spuitgietwater of koellucht koelt het ingespoten metaal snel af bij 500-1000°C per seconde. Hierbij nemen ze efficiënt een sterke microstructuur aan met fijne korrelgroottes (0,01-0,05 mm).

5. Uitwerpen en nabewerking

Zodra het onderdeel stolt, helpen uitwerppennen om het gietstuk veilig uit de matrijs te verwijderen. Ze oefenen een kracht uit van 5-20 ton.

Ondertussen gebruikt de quench tank water om gietdelen snel af te koelen gedurende 10-30 seconden. Dit extra proces voorkomt kromtrekken en verhoogt de materiaaleigenschappen.

Bovendien gebruiken trimmachines 20-50 ton kracht om metaalresten (poorten, uitlopers) te snijden. Dit helpt je bij het maken van onderdelen van hogere kwaliteit.

Afdeling afwerking:

Fabrikanten gebruiken de ontbraamtechniek om scherpe randen te verwijderen. Deze processen bieden gladde oppervlakken met een ruwheidswaarde van Ra 1,6-3,2 µm.

De precieze gaten en kenmerken die de bewerking met zich meebrengt, zorgen voor strakke toleranties (±0,05 mm). Hierdoor voldoet het product uiteindelijk aan speciale specificaties.

7. Afvalbeheer

Die casters omgesmolten of hergebruikt 5-10% aluminium afval. Omdat schrootrecycling de kosten van ruwe metalen verlaagt.

Het afval van smeermiddelen en metaalresten kan worden behandeld in het afvalwaterbehandelingssysteem. Deze slib- en oliebehandeling verwijdert 95% verontreinigende stoffen voordat het wordt afgevoerd.

Daarnaast gebruiken de fabrikanten uitlaatgaswassers. Hun taak is om de uitstoot aan te pakken door schadelijke gassen te filteren. Deze hulpmiddelen helpen om een 99% succesratio te behalen in het verminderen van luchtvervuiling.

Duurzame bronnen zoals koeltorens recirculeren 80% gebruikt water. Deze technieken minimaliseren ook de impact op het milieu.

Toepassingen en industrieën

Automotive

Er is ontdekt dat meer dan 200 kg per voertuig van in Europa geproduceerde auto's aluminium bevat. Daarnaast produceren automobielsectoren verschillende lichtgewicht en sterke onderdelen met het HPDC-proces. Bijvoorbeeld motorblokken, behuizingen voor ruitenwissermotoren, AC/DC-controllers, accubehuizingen, enz.

Ruimtevaart

De onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart die worden geproduceerd met spuitgietaluminium zouden sterker en lichter in gewicht zijn. Beugels voor vliegtuigen en satellieten hebben bijvoorbeeld een treksterkte tot 300 MPa. Daardoor presteert het onderdeel goed en verbruikt het minder brandstof.

Consumptiegoederen

Het spuitgietproces is nuttig bij het maken van onderdelen met dunne wanden. Dit geldt vooral voor de categorieën consumentengoederen. Het kan bijvoorbeeld elektronische behuizingen maken voor laptops en telefoons met wanden die maar 1 mm dun zijn. Fabrikanten produceren meer dan 50 duizend (per jaar) wasmachines via deze techniek.

Industriële apparatuur

Voor onderdelen die bestand zijn tegen hogere drukken (tot 100 bar) is het kiezen van spuitgietonderdelen zoals pomphuizen en kleppen waardevol. Deze onderdelen hebben lekvrije stoffen en een afwerkingsruwheid die schommelt rond Ra 1,6 en 3,2 µm.

Voordelen van spuitgieten onder druk van aluminium

• Dit proces kan echt onderdelen gieten met een nauwe tolerantie van ±0,1 mm (5x beter dan zandgieten).
• Het past perfect.
• De onderdelen hebben gladde oppervlakken (zo fijn als Ra 1,6 µm)
• Verminder de nabewerking.
• De aluminiumlegeringen zijn 100% recyclebaar.
• Dit proces gebruikt 40-50% minder energie dan zandgieten.
• Het verlaagt de koolstofvoetafdruk.
• De gegoten onderdelen zijn sterk met de helft van het gewicht van staal.
• Massaproductie verlaagt de kosten per onderdeel.

Uitdagingen en beperkingen

Onderdeelgrootte en -complexiteit:

Er is een beperking op de maximale grootte, omdat deze ongeveer 600 x 600 mm kan produceren (ongeveer de afmetingen van een autodeur).

Dunne wanden van minder dan 0,8-1,5 mm zorgen voor onvolledig vullen. Hiervoor zijn injectiesnelheden tot 4 m/s nodig. Bovendien kan het moeilijk zijn om ingewikkelde vormen onder 0,5 mm te reproduceren.

Materiaalgrenzen:

Dit proces is alleen geschikt voor speciale legeringen zoals A380. Dat komt door de goede vloeibaarheid en gieteigenschappen.

Veelvoorkomende defecten

Luchtinsluiting veroorzaakt gasporositeit en wanneer deze gassen uitzetten, verandert dit in defecten zoals blaasvorming. Dit komt vaak voor bij dikkere onderdelen (onder 10 mm) en kan onder controle worden gehouden door te ontgassen.

Op dezelfde manier ontstaan krimpporeusheid en scheuren als de koelsnelheid ongelijk is en onder 500°C/s daalt. Om dit te voorkomen kan een druk van 200-400 bar de dichtheid en integriteit tijdens het stollen handhaven.

Testen en controleren:

Je hoeft alleen maar de prestaties van je project te voorspellen en een paar stappen vooruit te zijn via niet-destructief onderzoek. Een röntgeninspectiesysteem maakt gebruik van een buiskop. Dit is het punt waar de brandpuntvlek stralen uitzendt over het gietstuk. De aanwezigheid van een lege ruimte verandert de penetratie van de röntgenstralen. Het produceert een uniek beeld om de analyse te vereenvoudigen.

Ook ultrasone tests helpen om interne scheurtjes binnen 2-5 seconden per onderdeel op te sporen. Hun sensoren bewaken de injectiesnelheid (±0,1 m/s) en druk (±10 bar). Dat geeft dus zekerheid over een consistente kwaliteit.

Conclusie:

Gieten van aluminium onder druk is een betrouwbaar proces. De meeste sectoren, waaronder de auto-industrie, lucht- en ruimtevaart en elektronica, gebruiken het vanwege de betaalbaarheid en hoge geleidbaarheid voor grote orders.

Dit is de optie die werkt om nauwkeurige vormen en gladde afwerkingen te krijgen terwijl er minder energie wordt verbruikt. Hoewel het dat niet is, zijn er uitdagingen zoals de beperking van de afmetingen en incidentele defecten. Het gebruik van moderne testen en controles houdt de productie op peil.