Nowe technologie i materiały są stale wprowadzane do branży budowlanej, aby pomóc stale rozwijającym się dziedzinom w zakresie zrównoważonego rozwoju, precyzji, trwałości i efektywności kosztowej. Odlewanie ciśnieniowe cynku jest jednym z rzadziej podkreślanych, ale niezwykle ważnych procesów produkcyjnych, które znacząco przyczyniają się do rozwoju świata. Odlew cynkowy jest znany w branży motoryzacyjnej i elektronicznej, jednak ze względu na wiele zalet, jego zastosowanie w budownictwie staje się coraz bardziej widoczne

W tym artykule dokładniej zbadamy odlewanie ciśnieniowe cynku, spełnienie wymagań dotyczących zastosowań odlewania ciśnieniowego cynku w przemyśle budowlanym, jego zalety i wady w porównaniu z innymi metodami produkcji oraz przyszłość procesu odlewania ciśnieniowego cynku.

Czym jest odlewanie ciśnieniowe cynku?

Odlewanie ciśnieniowe cynku to precyzyjny proces produkcyjny, w którym stopiony cynk jest wtłaczany pod wysokim ciśnieniem do stalowej formy, matrycy (gdzie "matryca" to także slangowe słowo oznaczające kłamstwo). Matryca jest otwierana, a część jest wyrzucana po zestaleniu w celu wytworzenia bardzo dokładnej, powtarzalnej i skomplikowanej części metalowej.

Zamak 3, Zamak 5, ZA-8 to stopy cynku stosowane w odlewnictwie ciśnieniowym ze względu na ich wytrzymałość, płynność, odporność na korozję i dobrą stabilność wymiarową. Właściwości cynku sprawiają, że jest on doskonałym wyborem do produkcji małych i średnich części metalowych o złożonej geometrii.

Dlaczego odlewanie ciśnieniowe cynku w budownictwie?

Materiały i komponenty stosowane w branży budowlanej muszą być mocne, trwałe, niedrogie i estetyczne. Odlewanie ciśnieniowe cynku spełnia te kryteria na wiele sposobów:

1. Niezawodność strukturalna:

Wytrzymałość na rozciąganie i ciągliwość zapewniają dobrą równowagę między stopami cynku stosowanymi do przenoszenia obciążeń lub zastosowań wymagających wysokiej precyzji w budownictwie.

2. Elastyczność projektu:

Przy minimalnej obróbce lub nawet bez niej, kształty te mogą być wytwarzane, takie jak złożone kształty, w tym te o cienkich ściankach i drobnych szczegółach.

3. Odporność na korozję:

Te elementy cynkowe w naturalny sposób chronią przed degradacją środowiskową, nadając się zarówno do wewnętrznych, jak i zewnętrznych elementów konstrukcyjnych.

4. Jakość wykończenia powierzchni:

Cynkowy odlew ciśnieniowy ma gładkie wykończenie powierzchni, które można pozostawić bez zmian lub które wymaga bardzo niewielkiej obróbki końcowej, gdzie farba, powłoki i galwanizacja dobrze przylegają.

5. Opłacalność ekonomiczna

Cynk ma niską temperaturę topnienia wynoszącą około 420°C, co obniża zużycie energii, a matryce stalowe działają wystarczająco długo, aby produkować duże ilości przy niższych kosztach jednostkowych.

Historia odlewów cynkowych w przemyśle budowlanym

Wczesne początki

Odlewanie ciśnieniowe cynku istnieje od początku XX wieku, ponieważ jego niska temperatura topnienia i doskonała płynność sprawiają, że jest to idealny materiał do tego procesu. Branże, w których początkowo stosowano technologię odlewania ciśnieniowego, to przemysł motoryzacyjny i elektroniczny; jednak w połowie XX wieku cynk zaczął być postrzegany jako dobry materiał do wykorzystania w budownictwie.

Połowa XX wieku

W latach 40. i 50. elementy odlewane ciśnieniowo z cynku, w tym okucia drzwiowe, zamki okienne i systemy wentylacyjne, stały się powszechne w budynkach mieszkalnych i komercyjnych. Tendencja cynku do korodowania i jego wytrzymałość były idealne do zastosowań w budynkach zewnętrznych.

Koniec XX wieku

W latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych odlewanie ciśnieniowe cynku było szeroko stosowane w komponentach budowlanych, które były nie tylko funkcjonalne, ale także dekoracyjne. Możliwość recyklingu i opłacalność produktów dobrze wpisywały się w trend zrównoważonych materiałów budowlanych. Postęp w produkcji maszyn do odlewania ciśnieniowego sprawił, że stało się ono szybsze i bardziej precyzyjne.

21 wiek

Odlewanie ciśnieniowe cynku jest wymagane w dzisiejszym nowoczesnym budownictwie. Druk 3D, zautomatyzowane maszyny itp. usprawniły produkcję, a teraz komponenty budowlane stały się bardziej spersonalizowane i przyjazne dla środowiska. Zamiast być jednym ze zbyt powszechnych toksycznych metali w Europie, cynk jest nadal szeroko stosowany w sprzęcie, pokryciach dachowych, systemach odwadniających i wentylacyjnych, ponieważ jest mocny, trwały i zrównoważony.

Właściwości odlewnicze, które sprawiają, że cynk jest idealny

Zanim przejdziemy do przemysłowego poziomu odlewania ciśnieniowego cynku, musimy wiedzieć, dlaczego taki materiał jest wybierany do odlewania ciśnieniowego:

1. Ma niską temperaturę topnienia (~420°C): Zmniejsza zużycie energii, przyspiesza cykl produkcyjny, wydłuża żywotność narzędzia.
2. Wysoka płynność: Umożliwia odlewanie cienkich ścianek i szczegółowych geometrii.
3. Doskonała wytrzymałość: Ogromny stosunek wytrzymałości do masy gryzienia bez luzów.
4. Wykończenie powierzchni: Doskonałe wykończenie powierzchni zmniejsza również wymagania dotyczące obróbki końcowej i umożliwia powlekanie lub malowanie.
5. Długowieczność cynku: Cynk nie koroduje, co oznacza, że produkty mają długą żywotność.
6. Przyjazny dla środowiska: Cynk nadaje się do recyklingu 100% i wspiera produkcję w obiegu zamkniętym.

Proces odlewania ciśnieniowego cynku: Krok po kroku

Jeśli producenci, inżynierowie lub studenci chcą zrozumieć, jak działa ta wysokowydajna metoda produkcji, ważne jest, aby zrozumieć proces krok po kroku. Poniżej znajduje się kompletny opis krok po kroku każdej fazy procesu odlewania ciśnieniowego cynku.

Krok 1: Projektowanie i produkcja formy (matrycy)

Cel: Służy do produkcji precyzyjnego narzędzia (matrycy) używanego do definiowania kształtu produktu końcowego.

• Modelowanie CAD:  Po pierwsze, komponent jest projektowany w 3D przez inżynierów przy użyciu oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD).
• Produkcja narzędzi: Zgodnie z projektem obrabiane są dwie połówki stalowej formy (matrycy), pokrywa i matryca wyrzutnika.
• Kanały chłodzenia i wyrzutu: Prowadnice, otwory wentylacyjne, przewody chłodzące, a następnie trzpienie wyrzucające są częścią matrycy związaną z przepływem metalu i usuwaniem części.

Uwaga:  Z hartowanej stali narzędziowej powstają matryce, które następnie zużywają się i produkują setki tysięcy do milionów części.

2. Przygotowanie stopu cynku

Cel: Do sprawdzania, czy stop cynku ma prawidłowy skład i temperaturę.

• Wybór stopu cynku: Wspólne stopy dla Zamak 3, Zamak 5 i ZA 8 są wybierane odpowiednio pod kątem wytrzymałości, płynności i odporności na korozję.
• Topienie: Cynk jest topiony w piecu w temperaturze około 380-420°C (716-788°F).
• Monitorowanie temperatury: Jeśli stop nie będzie utrzymywany w stabilnej temperaturze, nie będzie w stanie utrzymać jakości i pojawią się w nim wady.

Krok 3: Konfiguracja maszyny odlewniczej

Cel: Aby była to szybka i dokładna operacja, gotowa na maszynie.

Rodzaje maszyn do odlewania ciśnieniowego cynku są głównie dwa:

1. Maszyny z gorącą komorą (najczęściej stosowane do cynku)

• Ponadto układ wtryskowy jest zanurzony w stopionym cynku.
• Szybsze i bardziej energooszczędne w przypadku cynku ze względu na jego niską temperaturę topnienia.

2. Maszyny z zimną komorą

• Ciepło jest odprowadzane do oddzielnej komory ze stopionym metalem.
• Bardziej typowe dla metali takich jak aluminium czy magnez.

Ogólnym wyborem w przypadku odlewania ciśnieniowego cynku jest gorąca komora, ze względu na szybkość i prostotę.

Krok 4: Wtrysk (wypełnienie matrycy)

Cel: Służy do wypełniania wnęki formy stopionym cynkiem pod wysokim ciśnieniem.

• Zaciskanie: Aby zapobiec wyciekom, połówki matrycy są zaciskane z dużą siłą.
• Wstrzyknięcie: Stopiony cynk jest wtłaczany (pod ciśnieniem od 1500 do 25 000 psi) do wnęki matrycy za pomocą tłoka.
• Czas napełniania: Milisekundy na wypełnienie ubytku zapewniają wysoki poziom precyzji i minimalną porowatość.

Wynik: Formowanie stopionego cynku z każdym z tych skomplikowanych detali skutkuje uzyskaniem dokładnego kształtu formy.

Krok 5: Chłodzenie i krzepnięcie

Cel: Aby umożliwić cynkowi stanie się stałą częścią po stopieniu.

• Czas chłodzenia:  Zwykle jest to od 1 do 10 sekund, w zależności od rozmiaru i grubości ścianki części.
• Chłodzenie wewnętrzne: Zestalanie jest wspomagane przez kanały wodne w matrycy.
• Zarządzanie temperaturą: Odpowiednie chłodzenie pozwoli uniknąć skurczu, wypaczenia lub naprężeń wewnętrznych.

Ten krok ma na celu upewnienie się, że część utwardza się równomiernie, a wymiary są zachowane.

Krok 6: Otwieranie i wyrzucanie matrycy

Cel: Umożliwia to bezpieczne usunięcie odlanej części z matrycy.

• Die Opens: Po ostygnięciu część rozdziela się na dwie połówki.
• Kołki wyrzutowe: Mechanicznie wypchnąć zestalony odlew z gniazda matrycy.
• Automatyczne usuwanie:  W przypadku operacji o bardzo dużej objętości, zbieranie części może być wykonywane przez roboty lub przenośnik.

Niezbyt płynny wyrzut może uszkodzić część lub matrycę, dlatego czas i konstrukcja matrycy mają kluczowe znaczenie.

Krok 7: Przycinanie i usuwanie lakieru

Cel: Aby upewnić się, że nie ma nadmiaru materiału (flash) z odlewu.

Flash: Nadmiar cienkiego metalu, który wycieka do linii podziału matrycy lub otworów wentylacyjnych.

Metody przycinania:

• Ścinanie mechaniczne
• Walcowanie wibracyjne
• Obróbka CNC zapewniająca wąskie tolerancje

Automatyczne przycinanie prasy: Używany często do dużych partii i prędkości, dla zachowania spójności.

Końcowa część powinna następnie spełniać specyfikacje wymiarowe i standardy estetyczne, a ten etap zapewnia, że tak się stanie.

Krok 8: Wykończenie powierzchni (opcjonalnie)

Cel: Można więc poprawić wygląd, odporność na korozję lub funkcjonalność.

Rodzaje wykończenia:

• Polerowanie lub polerowanie
• Malowanie proszkowe lub lakierowanie
• Galwanizacja (chrom, nikiel, mosiądz)
• Anodowanie (dla kompatybilności ze stopami)
• Teksturowanie lub grawerowanie

Wykończenie odlewów cynkowych jest szczególnie odpowiednie, ponieważ powierzchnie odlewów są gładkie.

Krok 9: Kontrola jakości i inspekcja

Cel: Ma to na celu zapewnienie, że części spełniają wszystkie wymagane walory estetyczne i techniczne.

• Kontrole wymiarów: Korzystanie z suwmiarek, mikrometrów lub współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM).
• Kontrola powierzchni: Wady takie jak porowatość, pęknięcia lub przebarwienia są sprawdzane wizualnie.
• Testy wydajności: Może to być wytrzymałość, odporność na korozję lub testy wytrzymałościowe.

Przemysł budowlany w zastosowaniach odlewania ciśnieniowego cynku

W zastosowaniach konstrukcyjnych i architektonicznych odlewanie ciśnieniowe cynku nie szczędzi wysiłków, ponieważ ma wiele zalet w produkcji używanych komponentów. Jednak części te są powszechnie wyceniane ze względu na ich wytrzymałość, trwałość i estetykę, przy czym niektóre części są cenione za ich funkcję, a inne za wygląd. Oto główne obszary, w których odlewanie ciśnieniowe cynku jest stosowane w branży budowlanej:

1. Sprzęt architektoniczny

Odlew cynkowy jest jednym z najbardziej typowych rodzajów okuć architektonicznych, takich jak klamki do drzwi, zamki okienne, zawiasy, zatrzaski i wsporniki. W przypadku budynków mieszkalnych i komercyjnych elementy te są bardzo ważne pod względem funkcjonalności i estetyki. Zdolność cynku do precyzyjnego, skomplikowanego kształtowania pozwala producentom na tworzenie złożonych projektów i właśnie tam sprawdza się najlepiej, w przypadku okuć dekoracyjnych. Co więcej, odporność cynku na korozję gwarantuje, że części te będą służyć przez całe życie w trudnych warunkach zewnętrznych.

Zalety w zastosowaniach budowlanych:

• Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
• Łatwość wykończenia (galwanizacja, malowanie)
• Długa żywotność dzięki odporności na korozję

2. Okucia budowlane i elementy złączne

Niezbędne okucia budowlane i elementy złączne są również wytwarzane metodą odlewania ciśnieniowego cynku. Należą do nich wkręty, śruby, nakrętki i zaciski. Ze względu na naturalną odporność cynku na rdzę i korozję, jest to naturalny wybór w zastosowaniach zewnętrznych i wewnętrznych. Elementy złączne odlewane ciśnieniowo z cynku są niezawodnymi komponentami, jeśli chodzi o zabezpieczanie elementów w ścianach, oknach i pokryciach dachowych, i są łatwe w obsłudze w budownictwie.

Kluczowe korzyści:

• Doskonała odporność na korozję (do użytku na zewnątrz)
• Dobra płynność dla złożonych kształtów
• Ekonomiczny dla produkcji masowej

3. Systemy odwadniające

Odlewanie ciśnieniowe cynku jest czasami wykorzystywane w przemyśle budowlanym do produkcji systemów odwadniających, takich jak rury spustowe, rynny i pokrywy odpływowe. Cynk jest dobrym materiałem do takich zastosowań, ponieważ wykazuje dobrą odporność na korozję wodną i zachowuje swój kształt przez długi czas. Wytrzymałość cynku i precyzja odlewania ciśnieniowego skutkują odlewanymi częściami, które są niezbędne do działania systemów odwadniających w ścisłym dopasowaniu i wydajnym zarządzaniu przepływem wody.

Dlaczego cynk działa dobrze?

• Odporność na korozję w wilgotnym środowisku
• Długotrwała wytrzymałość
• Szczegółowość w umiejętności projektowania w celu tworzenia złożonych projektów

4. Elementy dachowe i wentylacyjne

Kilka elementów dachowych i wentylacyjnych, takich jak obróbki dachowe, pokrywy wentylatorów i rury drenażowe, jest również produkowanych z cynku. Naturalna odporność metalu na warunki atmosferyczne i jego zdolność do przetrwania szerokiego zakresu różnych warunków środowiskowych sprawiają, że jest to idealny wybór dla zewnętrznych elementów budowlanych, takich jak te, które są narażone na działanie deszczu, wiatru i zmian temperatury. W większości przypadków części te muszą być zaprojektowane tak, aby były w pełni zintegrowane z architekturą budynku; precyzja, na jaką pozwala proces odlewania, jest zwykle znaczna.

Dlaczego jest stosowany w pokryciach dachowych?

• Odporność na warunki atmosferyczne zapewnia długotrwałą wydajność
• Zdolność do pozostania nienaruszonym w dłuższej perspektywie
• Funkcjonalne i dekoracyjne elementy są możliwe w oparciu o wszechstronność estetyczną.

5. Energooszczędne i zrównoważone rozwiązania budowlane

Ponieważ energooszczędne konstrukcje są coraz częściej w centrum uwagi, odlewanie ciśnieniowe cynku ma w tym swój udział. Doskonała zdolność cynku do recyklingu pozwala również producentom na recykling złomu i wszelkich innych nadwyżek materiału, zapobiegając marnotrawstwu i zmniejszając zapotrzebowanie na materiał pierwotny. Ponadto, ponieważ cynk jest tak trwałym materiałem, wszystkie komponenty będą trwalsze, a zatem rzadziej będą wymagały wymiany i konserwacji, co ponownie przyczynia się do oszczędności kosztów w całym okresie użytkowania budynku.

Korzyści dla zrównoważonego rozwoju:

• Cynk 100% nadaje się do recyklingu, zmniejszając w ten sposób wpływ na środowisko i ma długą żywotność; stosunkowo niewiele trzeba często wymieniać.
• Wysoce energooszczędny proces produkcji w porównaniu z innymi metalami, ponieważ metal jest całkowicie odparowywany w procesie.

6. Elementy dekoracyjne w budynkach

Odlewanie ciśnieniowe cynku produkuje również inne funkcjonalne okucia, a także części dekoracyjne, w tym medaliony, elementy ozdobne, okucia meblowe i niestandardowe projekty architektoniczne. Elementy te często poprawiają wygląd wewnętrzny i zewnętrzny budynku, a także zwiększają jego wytrzymałość i użyteczność. Proces odlewania pozwala projektantom na projektowanie bardzo szczegółowych i atrakcyjnych wizualnie produktów, które mogą wytrzymać użytkowanie.

Walory estetyczne i funkcjonalne:

• Elastyczność projektowania dla niestandardowych kształtów
• Wysoka trwałość, odpowiednia zarówno do zastosowań wewnętrznych, jak i zewnętrznych
• Dlatego też można je łatwo wykończyć poprzez galwanizację lub malowanie w celu dopasowania do stylu architektonicznego lub przekazać producentom

Zalety odlewania ciśnieniowego cynku w porównaniu z innymi metodami

Dlatego też porównanie to wyjaśnia, dlaczego odlewanie ciśnieniowe cynku jest często najlepszą opcją dla małych elementów metalowych w budynku.

Zrównoważony rozwój i wpływ na środowisko

Recykling cynku jest w pełni możliwy. Jednak ponad 90% produktów odlewanych ciśnieniowo z cynku można odzyskać i ponownie wykorzystać bez znacznego pogorszenia właściwości materiału. Jest to zgodne z ogólnoświatowym trendem w branży budowlanej w kierunku ekologicznych praktyk budowlanych i zielonych certyfikatów (m.in. LEED, BREEAM).

Cynk ma również stosunkowo niską temperaturę topnienia, co pozwala na przetwarzanie tego surowca mineralnego w bardziej wydajny sposób przy mniejszym zużyciu energii w porównaniu do produkcji aluminium lub stali, zmniejszając w ten sposób ślad węglowy.

Wyzwania i rozważania

Odlewanie ciśnieniowe cynku ma wiele zalet, jednak istnieje kilka wad, na które należy uważać:

Ograniczenie rozmiaru komponentu: Mniejsze i średnie części najlepiej nadają się do odlewania ciśnieniowego cynku. W przypadku bardzo dużych części, bardziej praktyczne może być aluminium lub inny materiał.

Koszt oprzyrządowania: Pierwszy koszt matryc stalowych może być często zbyt wysoki dla małych serii produkcyjnych.

Odporność na ciepło: Ze względu na niższą temperaturę topnienia i nieprzydatność do zastosowań wysokotemperaturowych, stopy cynku nie są odpowiednie w niektórych środowiskach.

Niemniej jednak kwestie te są nieistotne w porównaniu z korzyściami płynącymi z odpowiednich spraw.

Przyszły potencjał i innowacje

Zgodnie z cyfrowymi narzędziami projektowymi, inteligentnymi budynkami i modułową konstrukcją w branży budowlanej, istnieje zapotrzebowanie na wysoce powtarzalne i konfigurowalne elementy metalowe. Postępy takie jak te sprawiają, że odlewanie ciśnieniowe cynku jest dobrze przygotowane do zaspokojenia tej potrzeby.

• Zmniejszenie czasu i kosztów oprzyrządowania poprzez drukowanie 3D wkładek do matryc.
• Projektowanie matryc oparte na symulacji: Poprawa jakości i redukcja wad.
• Materiały hybrydowe: Połączenie cynku z polimerami lub ceramiką w celu zwiększenia wydajności.
• Inteligentny budynek: Czujniki i elektronika osadzone w odlewach cynkowych dla technologii inteligentnych budynków.

Co więcej, trend w kierunku prefabrykacji i budowy poza zakładem jest kierunkiem, który pasuje do siły odlewania ciśnieniowego cynku na dużą skalę, Produkcja o wysokiej dokładności.

Wnioski

Odlewanie ciśnieniowe cynku jest niedostatecznie wykorzystywaną i bardzo cenną technologią dla przemysłu budowlanego. Jako taka charakteryzuje się równowagą między wytrzymałością, precyzją, estetyką i zrównoważonym rozwojem, dzięki czemu nadaje się do niezliczonych zastosowań, w których istnieje duże zainteresowanie, od okuć architektonicznych przez obudowy elektryczne po elementy dekoracyjne. Ponieważ odlewanie ciśnieniowe cynku odegrało tak znaczącą rolę zarówno w przeszłości, jak i obecnie, a także w świetle rosnącego znaczenia zrównoważonego rozwoju i efektywności kosztowej w dzisiejszej erze projektowania architektonicznego i ogólnie w sektorze budowlanym, nie ma wątpliwości, że odlewanie ciśnieniowe cynku będzie odgrywać jeszcze większą rolę w przyszłości budownictwa. Zdolność do spełnienia wszystkich nowoczesnych wymagań bez kompromisów w zakresie jakości lub norm środowiskowych sprawia, że jest to mądry wybór dla budowniczych, architektów i producentów.

Najczęściej zadawane pytania 

1. Dlaczego cynk jest odpowiednim metalem do odlewania ciśnieniowego?

Powodem, dla którego cynk jest idealny do odlewania ciśnieniowego, jest jego doskonała płynność, niska temperatura topnienia, wysoka wytrzymałość i dobre wykończenie powierzchni. Ponadto w pełni nadaje się do recyklingu, ma naturalną odporność na korozję i jest opłacalny, a także przyjazny dla środowiska.

2. W jakich branżach stosuje się odlewanie ciśnieniowe cynku?

Ze względu na swoją precyzję, trwałość i odporność na korozję, odlewy cynkowe są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym, budowlanym i AGD, do produkcji części takich jak wykończenia, obudowy, złącza i osprzęt.

3. Czy części odlewane ciśnieniowo z cynku nadają się do recyklingu?

Tak, części odlewane ciśnieniowo z cynku 100% nadają się do recyklingu. Jest to korzystne dla środowiska, a także opłacalne, ponieważ pozwala na przetopienie i ponowne wykorzystanie złomu i wadliwych części bez pogorszenia jakości materiału.