Bij halfvaste spuitgieten (SSDC) wordt een metaalsuspensie (20-60% vast) geïnjecteerd bij 580-620 °C onder 50-100 MPa druk. Dit vormt een bolvormige microstructuur, waardoor de sterkte tot 20% toeneemt. De afschuifsnelheden zijn meestal lager dan 10 s-¹, wat zorgt voor een gecontroleerde vulling van de matrijs voor precieze onderdelen. Gebruikelijke legeringen zijn aluminium A356 en magnesium AZ91D.

Leer waarom SSDC de voorkeur geniet om precisieresultaten te behalen. Ontdek hoe het werkt en wat de belangrijkste methoden, toepassingen en voordelen zijn.

Wat is halfvaste spuitgieten?

Halfvaste spuitgieten is een productieproces. Het wordt gebruikt om metaal halfvast te maken. Deze onderdelen zijn deegachtig en bevatten zowel vloeibare als vaste vormen. Dit soort slurry helpt de fabrikant om ingewikkelde onderdelen van topkwaliteit te maken. Het wordt veel gebruikt in de auto-industrie en in de consumentenelektronica. SSDC onderdelen zijn sterker en vertonen bijna geen defecten in vergelijking met traditioneel gieten.

 Thixotropie en reopexie

1. Gieten (thixotroop gedrag)

Het proces van rheocasting wordt gestart na het hebben van een standaard metalen staaf. Dat kan een aluminiumlegering A356 zijn. Metaalbewerkers smelten deze ingots bij een begintemperatuur van 650°C in een oven.

Wanneer dit gesmolten materiaal begint af te koelen bij een halfvaste temperatuur van 580 °C, gebruiken de arbeiders een mechanische roerder die met 500 omwentelingen per minuut ronddraait. Hierdoor breken de vaste deeltjes in kleine bolletjes. Deze zijn 50-100 micron groot.

Het roeren zorgt voor thixotroop gedrag. Dat is het gieten in halfvaste toestand met 40% vaste deeltjes. Het vloeit heel soepel als je duwt.

Deze slurry wordt later gebruikt voor het gieten van veelzijdige onderdelen van industrieën zoals onderdelen van autoophangingen.

2. Thixocasting (reopectisch gedrag)

Bij het thixogieten gebruiken de fabrikanten kant-en-klare knuppels. Dit zijn legeringen zoals magnesium AZ91D. Meestal heeft dit materiaal al een goede bolvormige microstructuur.

De metaalbewerkers zagen deze knuppels voor het eerst. Hun lengte varieert in veel gevallen, maar meestal zijn ze 150 mm lang. Ze hebben deze knuppels omgesmolten bij een temperatuur van 575 °C. Dat komt overeen met standaard thixocasting. Het proces duurt 15 minuten in een inductieoven tot het materiaal een ideale halfvaste vorm aanneemt.

De fabrikanten duwen dit materiaal met 1 m/s in de mal. Dit is iets heel anders dan thixotroop, omdat het niet dunner is. In plaats daarvan is het een soort rheopexie.

Dit proces verhoogt de viscositeit onder afschuiving (10%). Dit resulteert in een laag risico op turbulente stroming en luchtinsluiting. Bij het gieten van onderdelen zoals laptopbehuizingen zorgen deze eigenschappen voor gladdere oppervlakken.

Hoe regelt de afschuifsnelheid de doorstroming?

De halfvaste metalen hebben afschuifsnelheden onder het typische bereik van 10 s-¹. Omdat het dik is, beweegt het langzaam in een vormholte en vult het elke sectie goed, vooral als er dun gegoten moet worden.

De afschuiving neemt toe wanneer smalle poorten het metaal op hoge snelheid duwen. Het vult de matrijs binnen 0,5 seconde en maakt zo nauwkeurige producten.

De afschuifverdunning is de parameter. Dat stelt de arbeiders in staat om de metaalstroom tijdens verschillende stadia van het gieten aan te pakken.

Vaste fractie

De vaste fractie (fₛ) is het aandeel van de vaste inhoud in SSDC. Dat is wat fabrikanten binnen een haalbaar bereik van 20% en 60% houden.

Lagere condities dan 20% maken het metaal vloeibaar en te hoge condities, meer dan 60%, resulteren in een hardere vorm. Dit veroorzaakt problemen bij het gieten.

Microstructuur evolutie

In vergelijking met de oude dendritische structuur heeft halfvast metaal een bolvormige of rozetachtige microstructuur. De deeltjes zijn rond, waardoor ze soepeler stromen en defecten tot een minimum worden beperkt. Verbeterde sterkte en fijne kwaliteit zijn de basisresultaten van dit proces in de eindproducten.

Halfvaste spuitgietprocessen

Methoden voor het genereren van drijfmest

1. SIMA (Strain-Induced Melt Activation):

Na het kopen van standaard knuppels zeven fabrikanten ze bij 300 °C. Daarna gaan ze in ovens om opnieuw te worden verhit bij 580 °C. In deze vloeibare matrix vormen zich bolvormige deeltjes (50 μm). Dat is goed genoeg voor halfvaste verwerking.

2. Magnetohydrodynamisch (MHD) roeren

Elektromagnetische spoelen gebruiken 500 A stroom. Hiermee kan contactloos 600 omwentelingen per minuut worden geroerd. 40% ideale vaste toestand wordt gevormd als gevolg van dit proces, waardoor verontreiniging wordt vermeden.

3. Koeling Helling Gieten

De fabrikant laat het gesmolten metaal bij 620°C op de helling naar beneden stromen. Dat is meestal een koperen helling met een stand van 60°.

Ze koelen sneller af om een halfvaste slurry te krijgen in meer dan 3 seconden.

Aanpassingen injectie-eenheid

Gebruik een speciaal type korte mouw met keramische thermische coatings. Ze houden de temperatuur van de slurry op 570°C. Zodat je zonder zorgen kunt gieten tijdens de injectiefase.

Daarnaast zorgen nauwkeurig ontworpen plunjers ervoor dat de matrijs gelijkmatig wordt gevuld. Hij werkt met een kritische snelheid van 0,3-0,8 m/s. Dit zorgt voor een evenwichtige werking en vermindert nadelige fasescheiding. Dat gebeurt tussen de vloeibare en vaste deeltjes van de slurry.

Overwegingen voor matrijsontwerp

Bij poortsystemen moet je een 30% grotere dwarsdoorsnede gebruiken dan bij conventionele matrijzen. Dit helpt bij het behouden van de juiste stroming van halfvaste metalen.

Voor looprailsystemen moeten geleidelijke krommingen worden gebruikt. Die heeft een straal van minimaal 20 mm. Hierdoor zullen de technieken een laminaire metaalstroom handhaven en turbulentie minimaliseren.

Over ontluchtingssleuven gesproken: die zijn nauwkeurig bewerkt met een breedte van 0,1 mm. Ze controleren de luchtinsluiting tijdens het gieten. Daarbij worden ook lekkageproblemen aangepakt.

Voordelen van halfvaste spuitgietproducten

Gladdere oppervlakken en precieze afmetingen

Halfvast metaal stroomt met een gecontroleerde snelheid in de matrijssecties. Dit is veel langzamer dan vloeibaar metaal. Dat vermindert ook de luchtbellen met wel 90 %.

In vergelijking met gewoon gieten vermindert dit proces krimp (0,5%), wat minder is dan de 1,2% bij afkoeling. Dat helpt ook bij het maken van onderdelen die snap-fit.

Sterkere metalen structuur

De kleine, ronde, gevormde deeltjes van halfvaste toestand pakken dicht genoeg bij elkaar. Dit betekent dat ze een dichtere structuur hebben met 20% meer sterkte wanneer ze worden uitgerekt.

Je kunt het met meer kracht 15% buigen voordat het breekt. Deze onderdelen gaan 30% langer mee bij herhaalde belasting.

Minder gaten en defecten

Er zijn bijna geen lege ruimtes (1 tot 2 %) binnen SSDC. Bij gewoon spuitgieten is die kans 5 tot 8 procent.

Luchtbellen, gaten, krimp, scheuren en ruwe plekken op het oppervlak worden door dit proces geëlimineerd.

Energiebesparing

Een ander kenmerk of voordeel van dit proces is energiebesparing. Het vermindert het energieverbruik op vele manieren. Bijvoorbeeld:

• Het metaal warmt op tot 580°C in plaats van 680°C.
• Snellere stromen (25%) verbruiken minder energie.
• Het vermindert materiaalverspilling tot 15 procent tijdens het gebruik.

Lagere productiekosten

Omdat de halfvaste onderdelen minder polijstmachines nodig hebben, bespaart het tot 40%.

Van hun productie kan 5% aan onderdelen worden afgekeurd. Dat is minder dan 15 % van die normale processen.

Je kunt de SSDC mallen 50000 keer vaker gebruiken in plaats van slechts 30000 keer.

Toepassingen van halfvaste spuitgietproducten

Kritieke auto-onderdelen

De onderdelen van halfmassief spuitgieten in de auto-industrie zijn:

• Fusees
• Motorsteunen
• Versnellingsbakken
• Remklauwen

Dit proces produceert zeer complexe onderdelen met structurele details. Bijvoorbeeld subframes en ophangingsarmen met holle ontwerpen.

Bij EV's (elektrische voertuigen) zijn de onderdelen accubehuizingen en motorbehuizingen. Ze zijn licht en duurzaam. Ze kunnen ook constante trillingen en thermische belasting aan.

Krachtige onderdelen voor de ruimtevaart

De halfvaste toestand produceert ruimtevaartonderdelen met precisiekwaliteit. Dit zijn:

• Vleugelbeugels
• Landingsgestelonderdelen
• Turbinemotoronderdelen
• Radarbehuizingen
• Behuizingen voor luchtvaartelektronica
• Satelliet

Ze zijn duurzaam en minder zwaar. De behuizing van het raketgeleidingssysteem maakt er gebruik van voor zijn vermogen. Ze houden strakke toleranties over kritische omgevingen.

Gemeten prestatiewinst

Bij praktijktests gaan semi-massief gegoten remklauwen 80000 km mee voordat ze met de oude methode versleten zijn. Bovendien krijgen gegoten onderdelen 25% meer weerstand tegen vermoeiing.

De onderdelen van de automobielsector krijgen een betere impactweerstand (15%) tijdens crashtests.

Groeiende markttoepassingen

Na verloop van tijd maken groeiende markttoepassingen gebruik van SSDC om te creëren:

• Nauwkeurige 5G-antennebehuizingen met golfgeleiders van 0,05 mm.
• Dienblad voor medische implantaten met bacteriebestendige oppervlakken.
• Drone motorbehuizingen met betere warmteafvoer.

Bovendien gebruiken elektrische voertuigen dit proces om 0,2 mm vlakheid te krijgen. Dat is over een spanwijdte van 300 mm in koelplaten van de batterij.

Materialen die worden gebruikt bij het gieten van halfvaste matrijzen

Specifieke legeringaanduidingen

Aluminium A356 (AlSi7Mg) en magnesium AZ91D zijn de legeringen die het beste werken in halfmassief spuitgieten. Ze smelten sneller en gelijkmatiger, waardoor een ideale textuur ontstaat.

Omdat de legering A356 een hoge sterkte heeft, gebruiken automobielbedrijven meestal 70%. Ondertussen gaat de legering AZ91D goed samen met het gieten van lichtgewicht elektronicabehuizingen.

Reologische eigenschappen

De grafieken laten zien hoe de legeringen van SSDC werken in verschillende stadia en met verschillende vaste fracties (Fs). Bij Fs=0,37. Het toont een afname in viscositeit wanneer de afschuifsnelheid toeneemt van 1 tot 10 s-¹.

Fracties zoals Fs=0,48, die hoger zijn, houden de stroming dikker. Ze gebruiken meer kracht om matrijzen te vullen. Deze grafiek laat zien waarom fabrikanten Fs tussen 0,40 en 0,45 gebruiken om de beste uitvoer te krijgen.

Stollingsgedrag

A356 giet cooldowns in het 50°C bereik. Ze geven je genoeg tijd om metaal in de mal te verspreiden.

Om dit bereik te vergroten kun je 0,3% magnesium toevoegen. Dat is om het te verhogen tot 15°C voor een betere doorstroming.

De legering AZ91D neemt daarentegen sneller een volledig vaste vorm aan. Het maakt echter onderdelen met sterkere, dunnere wanden. Ze zijn tot 2 mm dikker.

Secundaire verwerking

De onderdelen hebben vaak minder secundaire bewerkingsstappen nodig. Dit komt omdat er 0,1 mm oppervlak verwijderd moet worden tegenover 0,5 mm voor conventionele gietstukken.

Door de warmtebehandeling van legering A356 wordt de sterkte verhoogd tot 20% zonder kromtrekken.

Halfvaste matrijzen gieten vs. traditionele matrijzen gieten

Vergelijking van procesparameters

Materiaal Structuur

De bolvormige structuur in het halfvaste gietstuk geeft 20 procent hogere taaiheid dan de structuur van het oude gietstuk. Het bevat ongeveer 2 % porositeit; omgekeerd 5,8%.

Kostenfactoren

De initiële kosten zijn echter hoger tot 20%. Toch kan het kosteneffectief zijn omdat het materiaalafval met ongeveer 15% en de bewerkingskosten met maximaal 40% vermindert. Dat compenseert de initiële kosten.

Wanneer kiezen?

Kies voor halfvast als dat nodig is:

Kies voor een semi-massief spuitgietproces wanneer je produceert:

• Dunne wanden (<3mm)
• Hoge sterkte (>250 MPa)
• Volumes >20.000 eenheden/jaar
• Gladde afwerkingen (<3,2 μm Ra)

Conclusie:

Semi-massief spuitgietwerk is gemaakt met een hogere kwaliteit taaiheid. Het voegt ook een uitstekende oppervlakteafwerking toe met minimale porositeit, ongeveer 30% minder dan het reguliere proces.

Hoewel de techniek gebruik maakt van specifieke legeringen en dure initiële instellingen, wordt het kosteneffectief voor het fabriceren van onderdelen van meer dan 20000 stuks.

De opkomende markt kijkt uit naar de uitbreiding van SSDC-toepassingen in de auto-industrie, ruimtevaart en opkomende technologieën. Het richt zich ook op het ontdekken van vooruitgang in procesbesturing en tooling.