Odlewanie ciśnieniowe aluminium: szczegółowy przewodnik

Koncepcja odlewania ciśnieniowego pod wysokim ciśnieniem

Odlewanie ciśnieniowe pod wysokim ciśnieniem (HPDC) to proces odlewania metali stosowany do masowej produkcji złożonych części metalowych o wysokiej integralności i kształcie zbliżonym do netto. Proces polega na wtryskiwaniu stopionego metalu do wstępnie zaprojektowanej formy pod wysokim ciśnieniem, zwykle od 1000 do 25 000 PSI (funtów na cal kwadratowy). Wysokie ciśnienie utrzymuje się do momentu zestalenia się stopionego metalu i usunięcia go z formy.

Proces ten przeprowadza się za pomocą maszyny do odlewania ciśnieniowego z gorącą lub zimną komorą. Maszyna z gorącą komorą jest używana do materiałów o niskiej temperaturze topnienia, takich jak cynk, natomiast maszyna z zimną komorą jest używana do materiałów o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak aluminium i magnez. HPDC jest szeroko stosowany w branżach takich jak motoryzacja, lotnictwo i medycyna ze względu na jego zdolność do wytwarzania wysokiej jakości części o wąskich tolerancjach i skomplikowanych kształtach.

Znaczenie koncepcji odlewania ciśnieniowego pod wysokim ciśnieniem w różnych gałęziach przemysłu

Odlewanie pod wysokim ciśnieniem (HPDC) jest ważną koncepcją w różnych gałęziach przemysłu ze względu na liczne zalety. Oto kilka branż, które korzystają z koncepcji HPDC:

Elektroniki użytkowej: Elektronika użytkowa, taka jak smartfony, laptopy i tablety, wymaga małych, lekkich części, które można łatwo wyprodukować przy użyciu procesu HPDC. Proces ten pozwala na produkcję skomplikowanych projektów i precyzyjnych komponentów z dużą dokładnością.

Sprzęt medycznyt: Branża medyczna również czerpie korzyści z koncepcji HPDC, która pozwala na produkcję lekkich, precyzyjnych komponentów do stosowania w urządzeniach i sprzęcie medycznym. Proces ten zapewnia wysokiej jakości komponenty o doskonałym wykończeniu powierzchni, dzięki czemu idealnie spełnia rygorystyczne wymagania branży.

Przemysł Obronny: HPDC jest korzystny w przemyśle obronnym, umożliwiając produkcję złożonych komponentów o wysokiej wytrzymałości i doskonałej dokładności wymiarowej, które mają kluczowe znaczenie w pojazdach wojskowych, samolotach i systemach uzbrojenia. Pozwala to na ciągłą innowację i rozwój w celu spełnienia rosnących wymagań technologicznych sprzętu wojskowego. Materiały kompatybilne z odlewami ciśnieniowymi pod wysokim ciśnieniem

Poniższy krótki przegląd kompatybilnych materiałów pomoże Ci określić, czy HPDC jest właściwym procesem produkcyjnym, czy też należy zastosować metodę alternatywną.

Aluminium: Jest to materiał szeroko stosowany w odlewach ciśnieniowych pod wysokim ciśnieniem ze względu na jego nieodłączne właściwości, takie jak lekkość, stabilność wymiarowa, przewodność elektryczna, odporność na korozję i odporność termiczna.

Materiał ma dobrą płynność po stopieniu pod wysokim ciśnieniem, ale do produkcji wysokiej jakości odlewów wymaga systemu zimnej komory. Typowe stopy aluminium stosowane w tym procesie to 380, 390, 412, 443 i 518. Materiał ten jest powszechnie stosowany w branżach takich jak motoryzacja i lotnictwo.

Magnez: Jest to kolejny lekki materiał powszechnie stosowany w procesie HPDC. Ma wysoką skrawalność i nadaje się do odlewania ciśnieniowego w gorącej komorze ze względu na niższą temperaturę topnienia. Typowe stopy magnezu stosowane w tym procesie obejmują AZ91D, AM60, AS41B i AE42.

Cynk: Jest to materiał najbardziej przyjazny producentowi spośród trzech popularnych materiałów HPDC. Nadaje się zarówno do systemów z komorą gorącą, jak i zimną. Typowe stopy do wysokociśnieniowego odlewania cynku obejmują Zamak, 2, 3 i 5. Materiały odlewane ciśnieniowo z cynku są mocne, trwałe i nadają się do obróbki mechanicznej.

Co to jest odlewanie ciśnieniowe aluminium

Wysokociśnieniowe odlewanie aluminium (HPDC) to proces odlewania metalu polegający na wtryskiwaniu stopionego aluminium pod wysokim ciśnieniem do wstępnie zaprojektowanej formy w celu wytworzenia wysokiej jakości części metalowych. Aluminium poddawane jest działaniu ciśnienia w zakresie od 1000 do 25 000 PSI w celu wypełnienia gniazda formy i odtworzenia kształtu pożądanej części. Odbywa się to za pomocą maszyny do odlewania ciśnieniowego z gorącą lub zimną komorą, w zależności od temperatury topnienia stopu aluminium.

Kiedy wybrać proces HPDC?

Istnieją dwa rodzaje sprzętu stosowanego do odlewania ciśnieniowego pod wysokim ciśnieniem: urządzenia do odlewania ciśnieniowego w komorze zimnej i w komorze gorącej. Do wysokociśnieniowego odlewania aluminium konieczne jest zastosowanie maszyn zimnokomorowych.

Odlewanie ciśnieniowe pod wysokim ciśnieniem (HPDC) to szybka i opłacalna technika produkcji odpowiednia do odlewania metali nieżelaznych. Jest idealny do wysokich wymagań produkcyjnych i może wytwarzać cienkościenne części o lepszej jakości wykończenia powierzchni. Istnieje jednak ryzyko porowatości wewnątrz odlewu, co może zagrozić integralności strukturalnej i sprawić, że nie będzie on nadawał się do obróbki cieplnej.

Elementy maszyny do odlewania ciśnieniowego pod wysokim ciśnieniem

Jeśli producent zamierza nabyć maszynę HPDC, poniżej przedstawiono niektóre elementy maszyny i ich funkcje.

Forma odlewana ciśnieniowo 

Jest to główny element maszyny, zwykle wykonany ze stali. Ma projekt, który reprezentuje zamierzony produkt i jest odpowiedzialny za ukształtowanie stopionego metalu w pożądaną formę. Forma odlewnicza ma dwie połówki, ruchomą i stałą, które zaciskają się pod wpływem siły, gdy operator wtryskuje stopiony metal.

Kołki wypychacza 

Są to składniki pomagające w wyrzuceniu odlewu po zastygnięciu. Znajdują się one najczęściej na ruchomej połówce matrycy i pomagają w wyjmowaniu odlewów z formy.

Tłok

Wytwarza ciśnienie, które wtryskuje stopiony metal z komory rozdmuchowej do formy. W zależności od rodzaju maszyny może być ona zautomatyzowana.

Elementy grzewcze

Składają się one z elementu grzejnego, termopary i komory rozdmuchowej (lokalizacja roztopionego metalu). Ich funkcją jest podgrzewanie metalu podczas przechowywania i utrzymywania temperatury stopionego metalu. W systemie komory chłodniczej nie ma elementów grzewczych.

Rura podnosząca: Służy jako kanał dla stopionego metalu do formy odlewniczej.

Etapy procesu odlewania pod wysokim ciśnieniem

Poniższe informacje zapewniają kompleksowe zrozumienie sposobu działania procesów odlewania pod wysokim ciśnieniem:

Pierwszym krokiem jest przygotowanie formy: Polega na oczyszczeniu formy i nasmarowaniu jej wewnętrznych ścianek w celu łatwiejszego wypychania i regulacji temperatury.

Drugim krokiem jest zastrzyk: Można tego dokonać za pomocą systemu wtrysku z gorącą lub zimną komorą, w zależności od rodzaju użytego materiału. System komory gorącej nadaje się do metali o niskiej temperaturze topnienia, takich jak cynk i magnez, natomiast komora zimna jest stosowana do metali o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak aluminium i mosiądz.

Trzecim krokiem jest usunięcie części: Polega na użyciu wypychacza w celu uwolnienia wnęki formy i wypchnięcia zestalonych odlewów.

Ostatnim krokiem jest przycinanie: Polega na usunięciu dodatkowych materiałów znajdujących się na odlewie i formie za pomocą różnych metod, takich jak matryca do przycinania lub piła.

Zalety i ograniczenia odlewów ciśnieniowych pod wysokim ciśnieniem

Zalety

Wyższe wskaźniki produkcji

Etap wtrysku w HPDC jest istotnym etapem i przebiega szybko, co zapewnia wysoką wydajność produkcji. Dzięki temu proces ten jest korzystny w przypadku szybkiego prototypowania, szczególnie w przypadku produkcji na dużą skalę, i jest szybszy w porównaniu z innymi metodami odlewania, takimi jak LPDC.

Wysokiej jakości odlewy ciśnieniowe

Części odlewane ciśnieniowo produkowane przy użyciu HPDC charakteryzują się wysoką dokładnością wymiarową, doskonałą jednorodnością i dobrym wykończeniem powierzchni. Zachowują również właściwości mechaniczne materiału macierzystego i zwykle wymagają minimalnej obróbki.

Produkty cienkościenne

HPDC może osiągnąć cienką ściankę o grubości mniejszej niż 0,40 mm, a proces pozwala na dodanie wkładek lub części współodlewanych. Ta funkcja zmniejsza liczbę komponentów wymaganych podczas montażu.

Złożone osiągnięcia projektowe

HPDC nadaje się do tworzenia produktów o skomplikowanych kształtach matryc ze względu na elastyczność projektowania form. Ta elastyczność ułatwia montaż wyprodukowanych części.

Trwałe matryce

Formy odlewnicze stosowane w HPDC charakteryzują się dużą trwałością, co pozwala na ich wykorzystanie w wielu cyklach produkcyjnych. Ta trwałość zmniejsza koszt odlewania ciśnieniowego na jednostkę.

Ograniczenia

Obecność powietrza 

Jest to częsty problem w HPDC, skutkujący powstawaniem kieszeni powietrznych w produkcie końcowym. To sprawia, że HPDC nie nadaje się do produktów wymagających szczelności, ponieważ uwięzienie powietrza może powodować porowatość i pęcherze na powierzchni podczas obróbki cieplnej. W takich przypadkach lepszą alternatywą może być odlewanie ciśnieniowe pod niskim ciśnieniem.

Początkowe koszty uruchomienia 

Koszty uruchomienia osobistej maszyny HPDC mogą być znaczne, dlatego wiele osób i firm decyduje się na outsourcing swoich potrzeb w zakresie odlewania ciśnieniowego usługodawcy.

Minimalizowanie wad matryc w HPDC

Poniżej znajdują się niektóre z najczęściej występujących rodzajów defektów oraz sposoby ich minimalizowania:

Porowatość

Jest to częsty problem napotykany podczas procesu HPDC. Chociaż całkowite wyeliminowanie porowatości jest trudne, można ją zminimalizować, włączając technologię próżniową do sprzętu.

Błysk

Wypływka to kolejne częste zjawisko podczas odlewania aluminium pod wysokim ciśnieniem, czyli nadmiar materiału wyciekający wzdłuż linii podziału. Dzieje się tak zwykle, gdy ciśnienie wtrysku przekracza siłę docisku. Jednym ze sposobów zapobiegania defektom wypływki jest użycie sprzętu do odlewania ciśnieniowego o wystarczającym tonażu.

Gorące rozdarcie

Może to wynikać z nierównomiernego chłodzenia i powodować rozdarcia w gorących punktach części. Nierównomierne chłodzenie często wynika z różnic w grubości ścianek odlewu, ale można temu zaradzić, ulepszając konstrukcję.

Niewypełnione sekcje

Niewypełnione sekcje we wnęce matrycy mogą wystąpić z powodu różnych czynników. Problemowi temu można zapobiec, monitorując objętość wtrysku, prędkość i temperaturę nalewania.

Zastosowanie procesu odlewania ciśnieniowego pod wysokim ciśnieniem

Przemysł medyczny: W branży medycznej HPDC jest powszechnie stosowane do produkcji wysokoprodukcyjnego sprzętu do obrazowania, pomp infuzyjnych i innych części medycznych. Wysoka produktywność procesu, kompatybilność z różnymi materiałami i możliwość tworzenia skomplikowanych projektów sprawiają, że jest to popularny wybór w tej branży.

Branża motoryzacyjna: Przemysł motoryzacyjny polega na HPDC w produkcji kluczowych komponentów pojazdów, takich jak bloki silnika, mocowania silnika, obudowy skrzyni biegów i inne części konstrukcyjne. Kompatybilność tej metody z materiałami takimi jak aluminium i magnez, jej zdolność do osiągnięcia wysokiej dokładności oraz możliwość tworzenia złożonych projektów sprawiają, że jest to preferowany wybór w tym sektorze.

Przemysł lotniczy: Sektor lotniczy wykorzystuje również HPDC do produkcji części silników z materiałów takich jak cynk, magnez i aluminium. Metale te posiadają unikalne właściwości, które czynią je odpowiednimi do odlewania ciśnieniowego pod wysokim ciśnieniem, a zdolność tej metody do tworzenia złożonych projektów sprawia, że jest to idealna opcja dla przemysłu lotniczego.

Porównanie między HPDC i LPDC

    A. Odlew aluminiowy pod wysokim ciśnieniem

Wysokociśnieniowe odlewanie ciśnieniowe aluminium (HPDC) to szeroko stosowany proces produkcyjny na całym świecie, z którego korzysta około 70% producentów odlewów ciśnieniowych. Etapy procesu odlewania ciśnieniowego aluminium są następujące:

Po pierwsze, stopy aluminium topi się w oddzielnym piecu. Następnie roztopione aluminium jest przenoszone do tulei wtryskowej urządzenia do odlewania ciśnieniowego, ręcznie lub za pomocą ramienia robota. Następnie roztopiony metal jest wpychany do formy za pomocą tłoka pod wysokim ciśnieniem. Odlew pozostawia się do ostygnięcia i zestalenia wewnątrz matryc na określony czas, po czym następuje rozdzielenie połówek matrycy i odzyskanie gotowego odlewu.

    B. Odlewanie pod niskim ciśnieniem

Niskociśnieniowe maszyny do odlewania aluminium mają inną konstrukcję w porównaniu do wysokociśnieniowych urządzeń do odlewania aluminium, a proces niskociśnieniowego odlewania ciśnieniowego opisano poniżej:

Najpierw stop aluminium topi się w zamkniętym piecu. Połówki matrycy są umieszczone na górze pieca i połączone rurą wznośną. Następnie z wnętrza pieca podawane jest powietrze pod niskim ciśnieniem, co powoduje, że stopione aluminium unosi się przez rurę i wypełnia wnękę matrycy. Ciśnienie powietrza utrzymuje się do momentu zestalenia odlewu. Na koniec matryce są otwierane i pobierany jest odlew.

    C. Kiedy wybrać proces HPDC lub LPDC

Wybór pomiędzy odlewaniem ciśnieniowym pod wysokim ciśnieniem (HPDC) a odlewaniem pod niskim ciśnieniem (LPDC) zależy od różnych czynników, takich jak złożoność projektu części, pożądana wielkość produkcji, wymagane właściwości materiału i względy kosztowe.

HPDC jest preferowana w przypadku złożonych części o cienkich ściankach i skomplikowanych szczegółach, ponieważ pozwala na elastyczność projektowania skomplikowanych form matrycowych. Jest to również idealne rozwiązanie w przypadku produkcji wielkoseryjnej, ponieważ jest to szybki proces charakteryzujący się dużą wydajnością. HPDC produkuje części o dużej dokładności wymiarowej, dobrym wykończeniu powierzchni i doskonałej jednorodności. Jednakże HPDC może nie nadawać się do części, które nie mogą mieć kieszeni powietrznych ani wad.

Z drugiej strony LPDC nadaje się do produkcji części o grubszych ściankach i mniej skomplikowanych. Idealnie nadaje się do części o wysokich właściwościach mechanicznych oraz takich, które wymagają obróbki cieplnej, np. elementy silnika. LPDC może również wytwarzać części z mniejszą liczbą defektów i mniejszą porowatością. Jednakże LPDC może nie być tak szybkie jak HPDC i może nie nadawać się do produkcji wielkoseryjnej.

Często zadawane pytania (FAQ)

Dlaczego warto stosować obróbkę CNC do form odlewniczych?

Obróbka CNC jest powszechnie preferowanym procesem produkcyjnym form odlewniczych ze względu na jego precyzję, dokładność i zdolność do osiągania wysokich tolerancji. Ponieważ formy odlewnicze wymagają dużej szczegółowości, preferowanym procesem ich wytwarzania jest obróbka CNC.

Odlewanie pod wysokim ciśnieniem: czy nadaje się do tworzyw sztucznych?

Należy zauważyć, że odlewanie ciśnieniowe pod wysokim ciśnieniem nie jest stosowane w przypadku tworzyw sztucznych. Formowanie wtryskowe jest preferowanym procesem w przypadku polimerów z tworzyw sztucznych, natomiast odlewanie ciśnieniowe jest stosowane w przypadku metali.

Jak odróżnić odlewanie pod wysokim ciśnieniem od odlewania grawitacyjnego?

Główna różnica między odlewaniem pod wysokim ciśnieniem a odlewaniem grawitacyjnym polega na sposobie wypełnienia formy roztopionym metalem. Odlewanie pod wysokim ciśnieniem polega na wtryskiwaniu metalu pod wysokim ciśnieniem, podczas gdy odlewanie grawitacyjne opiera się na sile grawitacji w celu wypełnienia formy stopionym metalem.