W tym artykule szczegółowo omówimy ciśnieniowe odlewanie aluminium. Zapoznaj się z kluczowymi zastosowaniami tej techniki, wraz z przeglądem procesu, rodzajami stopów, względami projektowymi, wyzwaniami itp.

Czym jest ciśnieniowe odlewanie aluminium?

Odlewanie ciśnieniowe aluminium wykorzystuje wysokie ciśnienie (100-1000 barów) podczas podawania stopionego aluminium do matryc. Matryce te są zwykle wykonane ze stali i mogą być wielokrotnego użytku.

Wypełnienie formy zależy od płynności stopionego metalu. Optymalna płynna forma wypełnia formę natychmiast (w ciągu kilku sekund). Materiał ten przyjmuje rzeczywisty kształt części podczas chłodzenia. Na przykład bloki silników samochodowych, ramy smartfonów lub komponenty dronów.

Ten proces produkcyjny jest optymalny do szybkiego i taniego wytwarzania ponad 10 000 identycznych produktów.

Fizyka procesu

Wysokie ciśnienie (100-1000 barów):

Im wyższe ciśnienie, tym bardziej równomiernie rozprowadza aluminium wewnątrz matrycy, wypełniając najmniejsze szczeliny. Ciśnienie to usuwa występowanie pęcherzyków powietrza i utrzymuje gładkie przejście w powierzchniach. Na przykład 500 barów może wypełnić matrycę w zaledwie 0,02 sekundy.

Szybkie chłodzenie (500-1000°C na sekundę):

Aluminium chłodzi się 100 razy szybciej w HPDC niż w odlewaniu piaskowym, przybierając formę rzeczywistego kształtu produktu. To właśnie robi szybkość chłodzenia: tworzy gęstą mikrostrukturę z drobnymi ziarnami kryształów (0,01 mm). Daje im to 20-30% większą wytrzymałość niż w przypadku wolniejszych opcji.

Rodzaje maszyn do odlewania ciśnieniowego

Maszyny z gorącą komorą:

Maszyny gorącokomorowe wykorzystują głównie metale o niższych temperaturach topnienia, takie jak cynk (420°C). Wynika to z faktu, że nie mogą one obsługiwać stopów o wysokich temperaturach topnienia, takich jak aluminium o temperaturze 660°C. Nawet jeśli nadal odlewasz aluminium w maszynie z gorącą komorą, może to spowodować uszkodzenie sprzętu.

Maszyny z zimną komorą:

Maszyny zimnokomorowe dobrze sprawdzają się w przypadku metali o umiarkowanej temperaturze, takich jak aluminium. W tym procesie odlewnicy przygotowują stopioną formę stopu. Następnie ładują go do tłoka, aby wtrysnąć materiał do matrycy pod ciśnieniem do 1000 barów. Technika ta trwa jednak dłużej (czas cyklu: 30-60 sekund), ale jest znacznie bezpieczniejsza w przypadku twardych materiałów.

Przydatność dla stopów aluminium

Odpowiednie stopy aluminium to A380 (aluminium 85%, krzem 8%) i A383 (aluminium 84%, krzem 10,5%). Stopy te mogą wytrzymać wysokie ciśnienie i uniknąć pękania podczas chłodzenia. Na przykład, metal A380 płynnie wypełnia formę, tworząc cienkie ścianki o grubości zaledwie 1 mm.

Porównanie technik odlewania ciśnieniowego

Kluczowe szczegóły dotyczące odlewania ciśnieniowego

• Prędkość produkcji pojedynczej maszyny HPDC może wynosić 100-200 godzin.
• Początkowe konfiguracje kosztują od 50 000 do 1 miliona. Koszt jednostkowy spada jednak nawet o $0,50 w przypadku dużych zamówień powyżej 50 000 jednostek.
• Można wiercić otwory o średnicy nawet 1,5 mm.
• Proces ten umożliwia wytwarzanie części o ściankach grubości zaledwie 0,8 mm.
• Zastosowanie stali może zwiększyć trwałość do około 50 000-500 000 cykli.

Proces ciśnieniowego odlewania aluminium

1. Projektowanie i produkcja narzędzi

Konstrukcja matrycy:

Projekty matryc zawierają kształt zbliżony do netto wytwarzanego produktu. Jego głównym zadaniem jest przekształcanie stopionego aluminium w te kształty. Oznacza to, że doskonałość projektu (wymiar, grubość itp.) pozwala uzyskać części o wysokiej jakości.

Systemy bramek

Kanały wlewowe to sposób, w jaki stopione aluminium przepływa w kierunku matrycy. Zazwyczaj mają one szerokość 3-8 mm. Aby regulować prędkość przepływu metalu (1-5 m/s), unika się turbulencji i uwięzienia powietrza.

Runner Design:

Systemy prowadnic rozprowadzają lub rozprowadzają metal równomiernie wewnątrz matrycy. Ich grubość waha się od 5 do 15 mm. Zmniejsza to również niespójności w przypadku unikania niewłaściwego kształtu.

Wentylacja:

W maszynie zamontowane są małe otwory wentylacyjne o szerokości 0,1-0,3 mm. Pomagają one w usuwaniu uwięzionego powietrza w celu zmniejszenia wad, takich jak porowatość i kieszenie powietrzne.

Kanały chłodzące:

Kanały chłodzące przypominają rury. Przepływają przez nie 10-20 litrów wody na minutę. Ich systemy utrzymują temperaturę w zakresie 200-300°C, aby przygotować części do wyrzucenia. Utrzymanie temperatury jest ważne, aby zapobiec przegrzaniu i uzyskać jednolitą strukturę.

Materiały matrycy:

Powszechnie stosowana stal H13 oferuje twardość 45-50 HRC. Ponadto, ten metal posiada już naturalne właściwości wysokiej wytrzymałości i odporności na zużycie. Jest on w stanie wytrzymać 50 000-500 000 cykli odlewania.

Oprogramowanie do symulacji:

Narzędzia takie jak AutoCAST są pomocne w procesie HPDC, umożliwiając wczesne przewidywanie awarii narzędzia. Można zoptymalizować przepływ metalu i lepiej umieścić kanał wlewowy. W ten sposób możliwe staje się zmniejszenie liczby defektów nawet o 30% przed rozpoczęciem produkcji.

Konserwacja matrycy:

Aby utrzymać matrycę w dobrym stanie, warto stosować smar w sprayu co 5 do 10 cykli. Zapobiega to przywieraniu metalu i zapewnia płynny wyrzut.

2. Wybór i przygotowanie materiału

Stopy aluminium:

Najważniejszy jest nie tylko wybór stopów aluminium. Zależy to od wymagań odlewniczych, które wpływają na wytrzymałość, płynność i przydatność aplikacji.

• A380: Łatwo płynie i zapewnia wysoką wytrzymałość. Producenci stosują go powszechnie w częściach samochodowych.
• ADC12: Metal ten dobrze sprawdza się w przypadku obudów elektronicznych i części cienkościennych (1-2 mm grubości). Płynnie płynie i redukuje defekty. Ponadto, może produkować bardzo dokładne części.

Jakość stopu:

Logicznie rzecz biorąc, utrzymanie czystości aluminium zapewnia wolne od wad i wytrzymałe części. Do tego właśnie służą piece hartownicze. Utrzymują one stopione aluminium w temperaturze 660-700°C, zapobiegając krzepnięciu. Dodatkowo, uwięziony wodór, który odgazowanie Usuwanie za pomocą azotu faktycznie zmniejsza porowatość o 90% i zapobiega powstawaniu wewnętrznych pustek.

3. Topienie i wylewanie

• Melter to piec opalany gazem. Producent używa go do topienia stałych granulek aluminium w temperaturach 700-750°C. Zapewnia to stały stan stopiony.
• Piec podtrzymujący przechowuje stopione aluminium. Utrzymują je w płynności w kontrolowanych temperaturach do momentu zakończenia cyklu produkcyjnego.
• Elementy procesu, takie jak tuleje tłoka i tuleje śrutowe, po prostu wtłaczają metal do wnęki matrycy z prędkością 4-10 m/s pod wysokim ciśnieniem. Ich zadaniem jest całkowite wypełnienie formy i odpowiednie zagęszczenie.
• Maszyny do odlewania ciśnieniowego automatyzują mechaniczne systemy wtrysku. Zapewnia to bardzo szczegółowe wyniki i powtarzalność odlewanych części.
• Maszyny zimnokomorowe wykorzystują tłok. Wtryskuje on metal i wykonuje cykle w ciągu 30-60 sekund, zapewniając wysoką wydajność.

4. Wtrysk i krzepnięcie

Pierwszy etap: Stopiony materiał wypełnia 80-90% wnęki matrycy. Wtryskiwanie trwa 0,01-0,1 sekundy. Upewnij się, że materiał równomiernie wypełnia szczeliny i dociera do każdego rogu matrycy.

Drugi etap: Producent stosuje wysokie ciśnienie (200-400 barów). Usuwa to szczeliny powietrzne i zapewnia gęstą jakość i integralność strukturalną.

Chłodzenie: Woda odlewnicza lub powietrze chłodzące szybko schładzają wtryskiwany metal z prędkością 500-1000°C na sekundę. Podczas tego procesu, metal nabiera silnej mikrostruktury z drobnymi ziarnami (0,01-0,05 mm).

5. Wyrzucanie i przetwarzanie końcowe

Po zestaleniu się części, kołki wyrzutowe pomagają bezpiecznie usunąć odlew z matrycy. Wywierają one siłę 5-20 ton.

W międzyczasie zbiornik hartowniczy wykorzystuje wodę do szybkiego chłodzenia odlewanych części przez 10-30 sekund. Ten dodatkowy proces pozwala uniknąć wypaczeń i poprawia właściwości materiału.

Dodatkowo, maszyny trymujące wykorzystują siłę 20-50 ton do cięcia pozostałości metalu (bramy, błysk). Pomaga to w produkcji części o wyższej jakości.

Dział wykończeń:

Producenci wykorzystują technikę gratowania do usuwania ostrych krawędzi. Procesy te zapewniają gładkie powierzchnie, osiągając wartość chropowatości Ra 1,6-3,2 µm.

Precyzyjne otwory i elementy obrabiane maszynowo zapewniają wąskie tolerancje (±0,05 mm). W rezultacie produkt spełnia specjalne specyfikacje.

7. Zarządzanie odpadami

Odlewnicy przetopili lub ponownie wykorzystali 5-10% odpadów aluminiowych. Ponieważ recykling złomu zmniejsza koszty surowca metalowego.

Odpady pochodzące ze smarów i pozostałości metali mogą być oczyszczane w systemie oczyszczania ścieków. Ta obróbka szlamu i oleju usuwa 95% zanieczyszczeń przed utylizacją.

Oprócz tego producenci stosują płuczki spalin. Ich zadaniem jest radzenie sobie z emisjami poprzez filtrowanie szkodliwych gazów. Narzędzia te pomagają uzyskać wskaźnik sukcesu 99% w zmniejszaniu zanieczyszczenia powietrza.

Zrównoważone zasoby, takie jak wieże chłodnicze, recyrkulują 80% zużytej wody. Techniki te minimalizują również wpływ na środowisko.

Zastosowania i branże

Motoryzacja

Odkryto, że ponad 200 kg na pojazd w samochodach produkowanych w Europie powszechnie wykorzystuje aluminium. Poza tym sektory motoryzacyjne produkują różne lekkie i wytrzymałe części w procesie HPDC. Na przykład bloki silników, obudowy silników wycieraczek, kontrolery AC/DC, obudowy akumulatorów itp.

Lotnictwo i kosmonautyka

Części lotnicze produkowane przy użyciu odlewów aluminiowych byłyby mocniejsze i lżejsze. Na przykład, wsporniki samolotów i satelitów mają wytrzymałość na rozciąganie do 300 MPa. W rezultacie część działa dobrze i zużywa mniej paliwa.

Towary konsumpcyjne

Proces odlewania ciśnieniowego jest pomocny w produkcji części o cienkich ściankach. Dotyczy to zwłaszcza kategorii dóbr konsumpcyjnych. Na przykład, może on wytwarzać obudowy elektroniczne do laptopów i telefonów o ściankach o grubości zaledwie 1 mm. Producenci wytwarzają tą techniką ponad 50 tysięcy (rocznie) jednostek pralek.

Urządzenia przemysłowe

W przypadku komponentów, które mogą wytrzymać wyższe ciśnienia (do 100 barów), cenne jest wybieranie części odlewanych ciśnieniowo, takich jak obudowy pomp i zawory. Części te charakteryzują się szczelnością i chropowatością wykończenia oscylującą wokół Ra 1,6 i 3,2 µm.

Zalety ciśnieniowego odlewania aluminium

• Proces ten umożliwia odlewanie części z wąską tolerancją ±0,1 mm (5x lepiej niż odlewanie piaskowe).
• Zapewnia idealne dopasowanie.
• Części mają gładkie powierzchnie (nawet Ra 1,6 µm)
• Ograniczenie przetwarzania końcowego.
• Stopy aluminium 100% nadają się do recyklingu.
• Proces ten zużywa 40-50% mniej energii niż odlewanie w piasku.
• Obniża ślad węglowy.
• Odlewane części są wytrzymałe i ważą o połowę mniej niż stalowe.
• Masowa produkcja obniża koszt pojedynczej części.

Wyzwania i ograniczenia

Rozmiar i złożoność części:

Istnieje ograniczenie maksymalnego rozmiaru, ponieważ może on produkować około 600 x 600 mm (mniej więcej wymiary drzwi samochodu).

Cienkie ścianki poniżej 0,8-1,5 mm spowodują niepełne wypełnienie. Potrzeba ta przekracza prędkości wtrysku do 4 m/s. Co więcej, odtworzenie skomplikowanych elementów o grubości poniżej 0,5 mm może być trudne.

Ograniczenia materiałowe:

Proces ten jest odpowiedni tylko dla specjalnych stopów, takich jak A380. Wynika to z jego dobrej płynności i właściwości odlewniczych.

Typowe wady

Uwięzienie powietrza powoduje porowatość gazu, a gdy gazy te rozszerzają się, przekształca się to w defekty, takie jak pęcherze. Zwykle dzieje się tak w przypadku grubszych części (poniżej 10 mm) i można to kontrolować poprzez odgazowanie.

Podobnie, porowatość skurczowa i pęknięcia występują, gdy szybkość chłodzenia jest nierównomierna i spada poniżej 500°C/s. Aby tego uniknąć, ciśnienie 200-400 barów może utrzymać gęstość i integralność podczas krzepnięcia.

Testowanie i kontrola:

Wystarczy tylko przewidzieć wydajność projektu i być o kilka kroków do przodu. Badania nieniszczące. System kontroli rentgenowskiej wykorzystuje głowicę rurową. Jest to punkt, w którym ognisko emituje promienie w poprzek odlewu. Obecność pustej przestrzeni zmienia penetrację promieniowania rentgenowskiego. Tworzy to unikalny obraz ułatwiający analizę.

Podobnie, zastosowanie testów ultradźwiękowych pomaga zlokalizować wewnętrzne pęknięcia w ciągu 2-5 sekund na część. Czujniki monitorują prędkość wtrysku (±0,1 m/s) i ciśnienie (±10 bar). Daje to gwarancję stałej jakości.

Wnioski:

Aluminiowy odlew ciśnieniowy to niezawodny proces. Większość sektorów, w tym motoryzacyjny, lotniczy i elektroniczny, korzysta z niego ze względu na przystępną cenę i wysoką przewodność przy dużych zamówieniach.

Jest to opcja, która pozwala uzyskać dokładne kształty i gładkie wykończenia przy mniejszym zużyciu energii. Chociaż nie jest to takie proste, istnieją wyzwania, takie jak ograniczenia rozmiaru i sporadyczne defekty. W związku z tym stosowanie nowoczesnych testów i kontroli utrzymuje produkcję na stałym poziomie.