Kompleksowa analiza techniczna odlewania aluminium w nowoczesnej produkcji

Odlewanie aluminium w piasku jest jednym z najstarszych i najbardziej wszechstronnych procesów odlewania metali, szeroko stosowanym w nowoczesnej produkcji do wytwarzania złożonych, trwałych i opłacalnych komponentów. Producenci odlewów aluminiowych mogą generować złożone geometrie o skomplikowanych cechach, które w przeciwnym razie byłyby niepraktyczne lub nieopłacalne do obróbki z litego materiału poprzez wlewanie stopionego aluminium do przygotowanych form piaskowych. Metoda ta jest szczególnie przydatna w produkcji nisko- i średnioseryjnej, prototypowaniu i odlewach o wysokiej strukturze w zastosowaniach obejmujących przemysł lotniczy, motoryzacyjny, obronny i energetyczny.

Najciekawsze w odlewaniu aluminium jest to, że jest ono zarówno elastyczne, jak i funkcjonalne. Aluminium charakteryzuje się bardzo dobrym stosunkiem wytrzymałości do masy, odpornością na korozję i możliwością recyklingu, dzięki czemu jest doskonałym materiałem do odlewania. Wraz z odpornością termiczną piasku i jego wysoką zdolnością formowania, proces ten zapewnia skalowalną zdolność produkcyjną z doskonałą dokładnością wymiarową. Projekt wzoru, skład formy, jakość stopu i konstrukcja wlewu są kluczowymi czynnikami sukcesu każdego odlewu.

Doskonała odlewnia aluminiowych odlewów piaskowych musi kontrolować nie tylko klasyczne fakty w technologii metalowej, ale także dotykać innowacji w procesach. Obecne zakłady stosują najnowsze technologie, aby zapobiegać defektom i zapewnić najlepszą wydajność odlewu dzięki wykorzystaniu druku 3D w piasku, oprogramowania symulacyjnego i monitorowania procesu w czasie rzeczywistym. Precyzyjnie zaprojektowane i odlewane części aluminiowe są obecnie w stanie spełniać rygorystyczne standardy inżynieryjne w zakresie bezpieczeństwa, tolerancji i trwałości.

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na złożone komponenty o krótszym czasie realizacji i mniejszym wpływie na środowisko, profesjonalne usługi odlewania aluminium w formach piaskowych muszą nadal ewoluować. Niniejszy artykuł omawia techniczne tajniki samego procesu, jego przebieg, materiały, wyzwania, innowacje i tak dalej.

Podstawy odlewania aluminium w formach piaskowych

Odlewanie aluminium w piasku polega na wlewaniu stopionego aluminium do wnęki formy piaskowej, która jest ukształtowana przez wzór, który replikuje geometrię końcowej części. Gdy aluminium zestali się, forma piaskowa jest wytrząsana, pozostawiając odlany element. Proces ten charakteryzuje się również wyjątkową elastycznością wymiarową i skalowalnością w warunkach produkcji wielkoseryjnej i małoseryjnej.

Proces ten opiera się na wykorzystaniu nietrwałej formy, piasku, który można poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać, minimalizując straty materiałów i wydatki. Formy piaskowe najczęściej składają się z piasku kwarcowego z dodatkiem spoiwa, a charakter systemu spoiwa zazwyczaj znacząco wpływa na wynikowe wykończenie powierzchni, dokładność wymiarową i szybkość chłodzenia.

Proces przepływu w inżynierii odlewania aluminium w piasku

Odlewanie aluminium w formach piaskowych to proces inżynieryjny składający się z zestawu dokładnie skalibrowanych czynności, których celem jest przekształcenie surowego aluminium w konkretne, dobrze zbudowane i dokładnie zwymiarowane części. Aby wszystkie etapy procesu zakończyły się sukcesem, wymagana jest zarówno dogłębna wiedza w zakresie materiałów, jak i mechaniki. Poniżej znajduje się analiza krok po kroku sposobu, w jaki odlewanie aluminium w formach piaskowych jest realizowane profesjonalnie i technicznie.

1. Projektowanie i tworzenie wzorów

W procesie odlewania aluminium w piasku, początkowym krokiem jest zaprojektowanie i wyprodukowanie wzoru, fizycznej kopii ostatecznego odlewu. Naddatki, które muszą być uwzględnione we wzorach, są raczej krytyczne, takie jak skurcz, przeciąg i materiał do obróbki. Ponieważ aluminium kurczy się, podczas chłodzenia wzory są układane nieco większe niż gotowy komponent. Współczynnik skurczu stopów aluminium jest zwykle stosowany na poziomie 1,3%; jednak w zależności od stopu i warunków chłodzenia może się on różnić.

Pionowe części form mają nadane kąty pochylenia, zwykle kilka stopni między 1 a 3, aby zapewnić, że wzór można łatwo usunąć w formie piaskowej, uważając, aby nie zniszczyć wnęki. Dodatkowe naddatki (naddatki na obróbkę) są uwzględniane w taki sposób, aby nie było niekorzystnej interakcji między obróbką końcową a częścią końcową. Wzory mogą być wykonane z drewna, metalu, żywicy, a nawet materiałów polimerowych drukowanych w 3D, w zależności od wymagań dokładności i potrzeb wielkości produkcji.

2. Tworzenie form (formowanie i ustawianie rdzenia)

Po przygotowaniu wzoru należy przygotować formę. W przypadku aluminiowej formy odlewanej w piasku istnieją dwie oddzielne połówki: górna (górna połowa) i dolna (dolna połowa). Są one wytwarzane przez napełnianie formy piaskiem w kolbie. W zależności od zastosowania, piasek jest zwykle na bazie krzemionki i jest łączony ze spoiwami, takimi jak glina (zielony piasek) lub żywice chemiczne (piasek bez pieczenia).

W przypadku, gdy konstrukcja części ma przestrzeń wewnętrzną i puste części, konieczne jest użycie rdzeni piaskowych. Są one umieszczane w gnieździe formy, po czym metal jest wylewany. Rdzenie mogą być wytwarzane przy użyciu rdzennic, a w przypadku produkcji precyzyjnej mogą być drukowane z większą precyzją przy użyciu druku piaskowego 3D. Dokładny ślad rdzenia jest bardzo ważny, aby uzyskać sztywną strukturę i zgodność z ostatecznym wymiarem części.

3. Projekt systemu bramkowania

Terminowość i skuteczność utworzonego systemu wlewowego są istotne dla powodzenia procesu odlewania aluminium w formach piaskowych. System ten składa się z wanny zalewowej, wlewu, prowadnic i wlewów, które wymuszają wlewanie aluminium do formy. Odpowiednie zasuwy zapobiegają powstawaniu turbulencji, minimalizują powstawanie zatorów powietrznych, a także zapewniają równomierne wypełnienie.

Wymagane są również podajniki (alternatywnie nazywane podajnikami), które można postrzegać jako zbiornik stopionego metalu, który kompensuje kierunek skurczu, który następuje po zestaleniu. Oprogramowanie do symulacji odlewania jest zwykle wykorzystywane przez inżynierów do badania i optymalizacji systemów wlewowych i pionowych. Przewidywanie odbywa się za pomocą narzędzi symulacyjnych, takich jak MAGMASoft lub ProCAST, dzięki czemu typowe wady, takie jak zimne zamknięcia, błędne przebiegi i porowatość skurczowa, mogą być korygowane praktycznie przed rozpoczęciem produkcji.

4. Topienie Cu i obróbka metali

Aluminium jest zwykle topione w piecu rewerberacyjnym, piecu tyglowym lub piecu indukcyjnym, a wybór zależy od objętości partii, potrzeb stopu i ilości potrzebnej energii. Temperatura topnienia czystego aluminium wynosi około 660 stopni Celsjusza (1220 stopni Fahrenheita), chociaż stopy mogą się nieznacznie różnić temperaturą topnienia w zależności od składu.

Absorpcja gazu, a konkretnie wodoru, jest jedną z największych trudności technicznych podczas topienia. Gorące aluminium bardzo łatwo wchłania wodór z wilgoci z powietrza lub z naładowanych figur. Bardziej niż wodór, w gotowym odlewie występuje porowatość. W odpowiedzi na to, stop jest poddawany procedurom odgazowania, które często obejmują wprowadzenie gazów pasywnych (takich jak argon lub azot), które są wtłaczane do stopu za pomocą wirnika obrotowego. Można również dodać topniki w celu usunięcia tlenków i wtrąceń ze stopu.

5. Walka ze stopionym metalem

Gdy stopione aluminium jest oczyszczone i kondycjonowane, jest ono następnie wlewane do formy przy użyciu systemu wlewowego. Wylewanie powinno być w pełni kontrolowane i ciągłe, bez mieszania formy, a tym samym uwięzienia powietrza i krzepnięcia na wczesnym etapie. Konfiguracje ręczne obejmują kadzie, które są obsługiwane przez osoby przeszkolone w zakresie wysokości i szybkości zalewania. Robotyzacja kadzi jest jednym z tych etapów, które gwarantują bezpieczeństwo i wysoką powtarzalność w systemach zautomatyzowanych.

Temperatura zalewania wynosi zwykle 690-740 °C w zależności od stopu i złożoności formy. Zalewanie w niskich temperaturach może powodować zimne zamknięcia lub niepełne wypełnienie, a zalewanie w wysokich temperaturach może powodować większe gromadzenie się gazu i utlenianie.

6. Zestalanie i chłodzenie

Etap krzepnięcia jest jednym z najważniejszych etapów procesu odlewania aluminium metodą piaskową. Kiedy aluminium zamienia się w ciało stałe, kurczy się, a skurcz należy uwzględnić podczas projektowania wlewu i pionu. Celem kontrolowanego chłodzenia jest uzyskanie jednolitej mikrostruktury oraz redukcja naprężeń wewnętrznych i jam skurczowych.

W zależności od geometrii w różnych obszarach odlewu i w zależności od grubości ścianki, mają one różne szybkości stygnięcia. Zamiast tego stosuje się kierunkowe krzepnięcie, najczęściej poprzez projektowanie odlewu w taki sposób, aby odlew był zorientowany tak, aby krzepnięcie zachodziło od cienkiego do grubego, co kieruje wnęki skurczowe do pionów. Aby przyspieszyć chłodzenie w niektórych regionach, a tym samym regulować strukturę ziarna i zminimalizować wady, jedną z technik jest stosowanie chłodziarek, metalowych wkładek w formie.

7. Wytrząsanie, czyszczenie i okuwanie.

Po pomyślnym usunięciu formy, jest ona wytrząsana po całkowitym zestaleniu się odlewu w procesie znanym jako wytrząsanie. Cięcie lub szlifowanie odbywa się mechanicznie lub ręcznie w celu usunięcia piasku. Cięcie odbywa się na odlewie, systemie wlewowym i pionach.

Po odlaniu na powierzchni zwykle pozostają pozostałości piasku i osady tlenków, a w celu usunięcia tych osadów przeprowadzane są procesy czyszczenia, takie jak śrutowanie, szlifowanie, a nawet trawienie chemiczne. Na tym etapie wykonywane jest również fetlowanie, w którym usuwany jest niepotrzebny metal, a grube powierzchnie stają się drobniejsze. Usuwane są również wszelkie rdzenie, które zostały użyte w formie.

8. Obróbka cieplna i obróbka skrawaniem (w razie potrzeby)

Wiele części aluminiowych odlewanych w formach piaskowych poddawanych jest obróbce cieplnej po odlaniu w celu poprawy ich właściwości mechanicznych. Do typowych metod należą:

• Odpuszczanie T5/T6 utwardzanych wydzieleniowo stopów aluminium (np. A356-T6), gdzie wytrzymałość i twardość są znacznie zwiększone.
• Wyżarzanie, aby usunąć naprężenia wewnątrz niego i uczynić go bardziej plastycznym.

Precyzyjna obróbka może być wymagana po obróbce cieplnej w celu spełnienia ostatecznych tolerancji, w szczególności w przypadku powierzchni, które łączą się z innymi częściami lub muszą być ściśle zwymiarowane. 

Kontrprzykłady: Frezowanie CNC, wiercenie i toczenie części odlewanych z piasku są powszechnymi procesami następczymi.

9. Zapewnienie jakości i inspekcja

Ostatnim krokiem jest przeprowadzenie ostatecznej kontroli, aby upewnić się, że odlana część ma odpowiednie specyfikacje zgodnie z wymaganiami. Poniżej przedstawiono zwykłe zapewnienie jakości odlewów aluminiowych typu piaskowego:

• Kontrola na podstawie wymiarów (CMM, współrzędnościowa maszyna pomiarowa, skanowanie laserowe lub inne).
• Badania nieniszczące (NDT), takie jak radiografia rentgenowska, badania ultradźwiękowe lub kontrola penetracyjna, które ujawniają wady wewnętrzne lub powierzchniowe.
• Testy mechaniczne wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i twardości, szczególnie w przypadku odlewów stosowanych konstrukcyjnie.
• Dane z inspekcji zostały zarejestrowane, aby umożliwić śledzenie danych i dalsze ulepszanie kolejnych replikacji procesu.

Metalurgiczne aspekty odlewania aluminium w piasku

Stopy aluminium stosowane do odlewania w formach piaskowych można zazwyczaj podzielić na następujące dwie grupy: stopy niepoddające się obróbce cieplnej i stopy poddające się obróbce cieplnej. Znane stopy to A356, A319 i 319.1, wybrane zgodnie z potrzebami wytrzymałości, przewodności cieplnej i odporności na korozję. Szybkość chłodzenia i pierwiastki stopowe, takie jak krzem, magnez i miedź, mają duży wpływ na strukturę ziarna odlewu.

Jednym z najbardziej wymagających aspektów procesu odlewania aluminium jest kontrola porowatości. Rozpuszczalność wodoru w aluminium jest również bardzo wysoka w fazie ciekłej niż w fazie stałej, co ma tendencję do powodowania mikroporowatości w krzepnącym basenie. Standardowymi metodami ograniczania tego zjawiska są odgazowanie próżniowe i płukanie gazem obojętnym.

Materiały stosowane w odlewnictwie aluminium

Materiały stosowane do odlewania aluminium w formach piaskowych mają kluczowe znaczenie dla wydajności, możliwości produkcyjnych i trwałości produktu końcowego. Obejmują one nie tylko stopy aluminium, ale także różne rodzaje piasku, spoiwa, a także materiały pomocnicze do produkcji form i rdzeni. Czynniki społeczno-ekonomiczne. Wybierając każdy materiał, konieczne jest osiągnięcie kompromisu w zakresie odlewalności i właściwości mechanicznych, wykończenia powierzchni i opłacalności. Poniżej przedstawiono szczegółowo główne kategorie materiałów, w ramach których przeprowadzany jest proces.

1. Stopy aluminium

Wybór stopu aluminium jest kluczem do każdego procesu odlewania aluminium w formach piaskowych. Różne stopy oferują różne właściwości mechaniczne, korozyjne i termiczne. Ogólnie rzecz biorąc, stopy te dzielą się na dwie szerokie kategorie: kute (kute/walcowane) i odlewnicze. Odlewanie piaskowe wykorzystuje również stopy aluminium klasy odlewniczej, ponieważ najlepiej nadają się one do odlewania, płynności i krzepnięcia.

Najczęściej odlewane stopy aluminium to:

A356 (Al-Si7-Mg):

Jest to jeden z najpopularniejszych stopów w obszarze usług odlewania aluminium w formach piaskowych. Jest niezwykle podatny na odlewanie, ma stosunkowo dobrą odporność na korozję i może być poddany obróbce cieplnej do stanu T6 (wysoka wytrzymałość, wysoka ciągliwość), co czyni go najbardziej użytecznym. Dodatek magnezu umożliwia utwardzanie starzeniowe.

319 (Al-Si-Cu-Mg):

Dobra odporność na zużycie i skrawalność są również znane z 319, który jest stosowany w zastosowaniach motoryzacyjnych i inżynierii ogólnej. Jego odporność na korozję jest jednak gorsza niż w przypadku stali A356.

535 (Al-Mg):

Jest to stop o wysokiej zawartości magnezu, dzięki czemu charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na korozję i udarnością. Znajduje powszechne zastosowanie w przemyśle lotniczym i morskim.

Stopy aluminium i krzemu (Al-Si):

Stopy te zyskały uznanie dzięki wysokiej płynności i niższemu skurczowi, zwłaszcza gdy są stosowane w złożonych komponentach, takich jak części aluminiowe odlewane w formach piaskowych.

Dodatki i uszlachetniacze ziarna:

Aby poprawić jakość odlewu, w celu zmniejszenia porowatości i poprawy właściwości mechanicznych, można dodać stopy tytanowo-borowe (np. AlTi5B1), aby zapewnić rozdrobnienie ziarna. Modyfikacja fazy krzemowej w stopach Al-Si zazwyczaj wykorzystuje stront, który zwiększa plastyczność i zmniejsza rozdarcie na gorąco.

2. Materiały piaskowe

W tej metodzie głównym materiałem formierskim jest piasek w procesie odlewania aluminium w piasku. Jego zadaniem jest utworzenie wnęki formy, do której wlewane jest roztopione aluminium. Piasek powinien być w stanie tolerować wysoką temperaturę (powyżej 700 o C), być dokładny wymiarowo, a także być w stanie wytrzymać erozję przez strumień metalu.

Używany piasek:

Piasek kwarcowy:

Najczęściej używany i najtańszy piasek. Jest dobry zarówno pod względem ogniotrwałości, jak i urabialności. Powoduje jednak problemy z rozszerzalnością cieplną, co może skutkować wadami odlewniczymi, takimi jak żyłki lub gorące łzy, chyba że jest to dobrze kontrolowane.

Piasek chromitowy:

Piasek ten ma lepszą przewodność cieplną i odporność na szok termiczny, dzięki czemu może być stosowany w inwestycjach wysokotemperaturowych, a także w odlewach o grubych przekrojach.

Piasek cyrkonowy:

Stosowany w aplikacjach, w których dokładność wymiarów ma ogromne znaczenie. Jest znacznie droższy, ale ma bardzo niską rozszerzalność cieplną i wysoką ogniotrwałość.

Wielkość ziarnka piasku:

Drobnoziarnisty piasek zapewnia gładsze wykończenie powierzchni i wpływa na przepuszczalność. Piasek gruboziarnisty zwiększa przepuszczalność i wytrzymałość formy, jednak produkt końcowy może być bardziej szorstki. W odniesieniu do geometrii części i specyfikacji wykończenia, zwykle wybierany jest kompromis.

3. Wiązanie i dodatki

Odlewanie aluminium w piasku: Piasek używany w odlewach aluminiowych jest utrzymywany razem za pomocą spoiwa, tworząc formę, która jest wystarczająco solidna, aby utrzymać się pod ciśnieniem stopionego aluminium. Spoiwa są organiczne lub nieorganiczne i są wybierane w zależności od stosowanego systemu piasku.

Spoiwa Green Sand:

Glinka bentonitowa:

Pęczniejąca glina stosowana w systemie zielonego piasku w celu zapewnienia plastyczności i spójności. Jest mieszany z wodą, tworząc materiał formierski wielokrotnego użytku.

Woda:

Jest aktywatorem w zielonych piaskach i pomaga w wiązaniu gliny i zagęszczaniu piasku.

Chemicznie wiązane systemy piaskowe:

Żywica furanowa:

Naturalny środek wiążący o wysokiej wytrzymałości i dobrym wykończeniu. Zazwyczaj stosuje się je w systemie wypalania.

• Ostatnim typem produktu był Phenolic Urethane Cold Box (PUCB).
• Charakteryzuje się dużą wytrzymałością rdzenia i dokładnością wymiarową. Dietz jest szeroko stosowany w produkcji rdzeni.

Dodatki:

Prawdopodobnie najstarszymi kopalniami na świecie są kopalnie węgla w tym okręgu węglowym; rozciągają się one na głębokość 2200 stóp lub więcej i znane są z kontynuacji obok żyły, w kierunku morza, gdzie węgiel nazywany jest węglem morskim lub pyłem węglowym.

W połączeniu z zielonym piaskiem wzmacnia czarny kolor na powierzchni formy i eliminuje wady odlewnicze, takie jak wnikanie metalu.

Tlenek żelaza:

Jest to przydatne w celu zmniejszenia żyłkowania i uskoków ekspansji w gorących obszarach.

Grafit:

Usprawnia produkcję piasku, zapewniając wysoki poziom płynności i uwalniania z formy.

4. Materiały podstawowe

Wewnętrzne wgłębienia i skomplikowane kształty w tak zwanych częściach aluminiowych odlewanych w formach piaskowych są wytwarzane przez rdzenie. Są one zazwyczaj odlewane z piasku krzemionkowego o wysokiej czystości, posiadającego system spoiwa identyczny z formą, ale często bardziej sztywny i dokładny.

Materiały, które są ważne w produkcji rdzenia to:

• Piasek kwarcowy (wysoka siatka)
• Spoiwa (żywica furanowa lub PUCB)
• Przewody odpowietrzające lub otwory wentylacyjne rdzenia, umożliwiające ulatnianie się gazu podczas odlewania

Strumieniowanie spoiwa w wydrukowanych w 3D rdzeniach piaskowych staje się coraz bardziej popularne w zaawansowanych technologicznie odlewniach. Pozwalają one wyeliminować stosowanie rdzennic i umożliwiają szybkie prototypowanie złożonych geometrii.

5. Powlekanie form i mycie form

Powłoki ogniotrwałe są nakładane (lub płukane) w celu poprawy wykończenia powierzchni odlewu lub zapewnienia ochrony termicznej i chemicznej formy lub rdzenia.

Takimi popularnymi materiałami powłokowymi są

Powłoki na bazie cyrkonu 

Powłoki na bazie cyrkonu są również doskonałe pod względem ogniotrwałości i właściwości izolacyjnych w wysokotemperaturowych stopach aluminium.

Powłoki na bazie grafitu:

Zachęcają do łatwego rzucania i mają zastosowanie w strefach chłodniczych.

Na bazie glinokrzemianów: 

Powłoki na bazie glinokrzemianów są powłokami ochronnymi ogólnego przeznaczenia, które minimalizują wady powierzchni.

Proces nakładania tych powłok odbywa się poprzez szczotkowanie, natryskiwanie lub zanurzanie, a następnie suszenie przed wylaniem metalu. Zmniejszają one niebezpieczeństwo erozji piasku, penetracji metalu i rozwoju związanego z gazem.

6. Inne materiały pomocnicze i procesowe

Inne materiały wykorzystywane w usługach odlewania aluminium w piasku obejmują:

Strumienie:

Do czyszczenia stopu i usuwania wtrąceń niemetalicznych. W zależności od rodzaju użytego stopu, powszechnie stosowane są topniki na bazie chlorków lub fluorków.

Tabletki lub gazy odgazowujące:

Mogą one obejmować tabletki heksachloroetanu lub podobne, chociaż we współczesnych odlewniach odgazowanie argonem jest preferowane ze względów środowiskowych i bezpieczeństwa.

Sondy, termopary i pirometry:

Czujniki temperatury są dostępne w postaci stopów wysokotemperaturowych i materiałów ceramicznych do monitorowania warunków stopu i formy.

Tuleje i pionowe materiały egzotermiczne :

Jest on umieszczany w pionach, aby dłużej utrzymywać podawanie stopionego metalu. Mają one materiały izolacyjne lub egzotermiczne, które wydzielają ciepło podczas krzepnięcia.

Funkcja odlewni piasku aluminiowego

Wysoce zaawansowaną odlewnią jest tak zwana odlewnia piasku aluminiowego, która posiada maszyny formierskie, stacje do produkcji rdzeni, piece do topienia i systemy kontroli. Odlewnie specjalizują się w odlewaniu, maksymalnej jakości odlewanego elementu, minimalnym czasie cyklu i maksymalnej wydajności materiałowej. Rozwinięte odlewnie łączą takie narzędzia cyfrowe jak:

• Simulation Software: Tak zwane oprogramowanie symulacyjne (takie jak MAGMASoft i FLOW-3D Cast) symuluje napełnianie i krzepnięcie formy oraz umożliwia inżynierom odlewni precyzyjne dostosowanie projektu wlewu i wstępne przewidywanie usterek.
• Rdzeń automatyczny: Skomplikowane kształty wewnętrzne można łatwo tworzyć za pomocą nowych rdzeni piaskowych drukowanych w 3D, co zmniejsza wydatki na narzędzia i czas.
• Badania nieniszczące (NDT): Obejmuje to wykorzystanie testów rentgenowskich, ultradźwiękowych, a także penetracji barwnika w celu ustalenia kompletności odlewu części.

Odnosząca sukcesy odlewnia aluminium posiada system kontroli jakości zgodny ze wszystkimi światowymi standardami, takimi jak ASTM B26, ISO 8062-3 i AMS 4218, aby zagwarantować stabilną jakość odlewanych stopów aluminium.

Zalety usług odlewania aluminium w formach piaskowych

Profesjonalne usługi odlewania aluminium w piasku oferują kompleksowe rozwiązania odlewnicze, w tym konsultacje projektowe, szybkie prototypowanie, oprzyrządowanie i obróbkę końcową. Są to usługi pozyskiwania części od producentów OEM i dostawców poziomu 1, którzy potrzebują najszybszej realizacji, niestandardowej geometrii części i funkcjonalności.

Niektóre z nich to główne zalety:

• Niskie koszty oprzyrządowania: Odlewanie piaskowe ma niskie wymagania dotyczące kosztów oprzyrządowania w porównaniu do odlewania ciśnieniowego, co czyni go najlepszą opcją dla krótkich serii produkcyjnych.
• Serwis: Dostawcom usług zaleca się opracowanie niestandardowych stopów w zależności od wymaganych właściwości mechanicznych lub termicznych.
• Szybkie prototypowanie: Możliwe jest przygotowanie prototypu w ciągu kilku dni zamiast tygodni przy użyciu obecnego cyfrowego tworzenia wzorów.

Ponieważ branże wymagają szybszych cykli produktów i większej personalizacji, Wysokiej jakości aluminiowy odlew piaskowy usługi stają się nieocenionymi partnerami w łańcuchach dostaw.

Precyzja i wydajność części aluminiowych odlewanych w formach piaskowych

Odlewanie części aluminiowych pozostaje kamieniem węgielnym w produkcji bloków silników, obudów skrzyń biegów, pokryw kolektorów i komponentów lotniczych. Proces ten może również obsługiwać proste i złożone geometrie części o grubości ścianek od 3 mm do 75 mm, w zależności od wytrzymałości formy i płynności danego stopu.

Kluczowe wskaźniki wydajności dla części aluminiowych odlewanych w formach piaskowych obejmują:

• Tolerancja wymiarów: Zdolność do tolerowania od 0 do 0,5 procent wartości nominalnych w zależności od jakości form.
• Chropowatość powierzchni: Wynosi ona od 150 do 500 RMS, choć w przypadku procesu wtórnego może być ona drobniejsza.
• Wytrzymałość mechaniczna: Wytrzymałość na rozciąganie jest zależna od stopu i obróbki i zazwyczaj wynosi 170-300 milimetrów Pascala (MPa).

Inżynierowie mogą zmniejszyć ilość wad skurczowych i stworzyć jednolite struktury w strukturze ziarna poprzez starannie dobrane systemy wlewowe i pionowe.

Wyzwania i innowacje w odlewaniu aluminium w formach piaskowych

Chociaż odlewanie aluminium w formach piaskowych przetrwało próbę czasu jako wszechstronna i opłacalna metoda produkcji, stoi przed wieloma wyzwaniami technicznymi i operacyjnymi, które wpływają na jakość odlewów, wydajność produkcji i skalowalność. Na szczęście proces ten ulega znacznej transformacji dzięki innowacyjnym rozwiązaniom, ponieważ branża stawia czoła tym wyzwaniom za pomocą nowych narzędzi i technologii. Poniżej znajduje się dalszy podział zarówno wyzwań, które nadal nękają sztukę odlewania aluminium w piasku, jak i pojawiających się innowacji, które wydają się pojawiać w tej dziedzinie.

1. Jakość stopu i porowatość gazu

Wyzwanie:

Jednym z najbardziej krytycznych i uporczywych problemów związanych z odlewaniem aluminium w formach piaskowych jest porowatość gazowa, spowodowana głównie absorpcją wodoru. Stopione aluminium ma tendencję do pochłaniania wodoru, zwłaszcza w wilgotnych warunkach lub w wyniku nadużywania zanieczyszczonych materiałów wsadowych. Gdy metal stygnie, rozpuszczalność wodoru spada, stąd gaz wytrąca się, tworząc drobne otwory w odlewie. Pory takie poważnie ograniczają odporność na zmęczenie i zdolność uszczelniania, a także wytrzymałość mechaniczną.

Innowacyjność:

Problem ten został rozwiązany poprzez zastosowanie nowoczesnych technologii odgazowywania w nowoczesnych odlewniach, takich jak technologia odgazowywania obrotowego, wykorzystująca gazy obojętne, takie jak argon lub azot. Systemy te mieszają stopiony materiał, aby zwiększyć jego powierzchnię i uwolnić uwięziony wodór. Ponadto do usuwania tlenków i wtrąceń stosuje się systemy odgazowywania liniowego z pierścieniami spłukującymi. W niektórych zakładach instalowane są nawet czujniki monitorujące gaz w czasie rzeczywistym w celu oceny stanu wodoru podczas topienia i odlewania.

2. Wymiarowy smutek i przylegająca do niego pleśń

Wyzwanie:

Zachowanie ścisłych tolerancji wymiarowych w metodzie odlewania aluminium w piasku nie jest łatwe, ponieważ forma piaskowa jest zmienna. Te zmiany geometryczne mogą być spowodowane między innymi zagęszczeniem piasku, zawartością wilgoci, a także rozszerzalnością cieplną, co powoduje, że niektóre części nie mieszczą się już w swoich specyfikacjach. Ponadto wzory wielokrotnego użytku oznaczają większe prawdopodobieństwo wibracji i dryftu wymiarowego, który nie jest uwzględniany w czasie.

Innowacyjność:

Aby temu przeciwdziałać, wiele odlewni wykorzystuje sterowane cyfrowo maszyny formierskie, które zapewniają równomierny nacisk podczas zagęszczania form i osiągają pewien stopień jednorodności w jakości form. Druk piaskowy 3D (binder jetting) przekształca tworzenie form, ponieważ nie wymaga fizycznego wzoru. Te formy odlewnicze są bardzo dokładne do poziomu mikronów, odpowiednie do prototypowania i małych serii produkcyjnych. W połączeniu z oprogramowaniem do symulacji odlewania, inżynierowie są w stanie symulować zmiany wymiarów podczas chłodzenia i kompensować zmiany podczas projektowania wzoru.

3. Lekka automatyzacja i duże uzależnienie od pracy

Wyzwanie:

Tradycyjne procesy odlewania aluminium w piasku są pracochłonne, szczególnie w zakresie przygotowania formy, zalewania i wykańczania. Ręczne operacje nie tylko ograniczają przepustowość, ale także zmienność odlewów. Ponadto wykorzystanie wykwalifikowanej siły roboczej może okazać się wąskim gardłem, zwłaszcza w obszarach, w których występuje niedobór siły roboczej.

Innowacyjność:

Automatyzacja robotyczna zmienia powtarzalne i ryzykowne operacje, takie jak tworzenie form, odlewanie i szlifowanie. Roboty współpracujące (coboty) będą w stanie współpracować z ludźmi przy podstawowym montażu i wydobywaniu odlewów. Odlewnie stosują również zautomatyzowane instalacje do zalewania, które są wyposażone w czujniki laserowe i systemy wizyjne, aby umożliwić precyzyjną kontrolę szybkości i temperatury zalewania. Takie postępy nie tylko przyczyniają się do wydajności produkcji, ale także do bezpieczeństwa i unifikacji w miejscu pracy.

4. Przewidywanie przyczyn źródłowych wad odlewów

Wyzwanie:

Obawy związane z wadami odlewów, takimi jak zimne zamknięcia, gorące rozdarcia, otwory skurczowe i wtrącenia, nadal stanowią główny czynnik przyczyniający się do marnotrawstwa materiału i wad produktu. Główna przyczyna tych wad musi zostać zidentyfikowana i usunięta, aby zapobiec ich ponownemu wystąpieniu; wymagałoby to dogłębnej wiedzy na temat dynamiki płynów, gradientów termicznych i dynamiki stopów - aspektów, które nie są łatwo dostępne w żadnej odlewni bez specjalnych środków.

Innowacyjność:

Od niedawna dostępne są zaawansowane pakiety do modelowania dynamiki płynów (CFD) i krzepnięcia, które umożliwiają inżynierom symulację całego procesu odlewania w wirtualnym świecie. Oprogramowanie komputerowe FLOW-3D Cast, ProCAST i MAGMASoft to niektóre z programów do prognozowania wad stopionej stali i miejsc, w których wady mogą powstać przed odlaniem metalu. Narzędzia te są wykorzystywane do optymalizacji systemów wlewowych, rozmieszczenia pionów i strategii chłodzenia w celu uzyskania odlewów wolnych od wad. Ponadto opracowywane są modele uczenia maszynowego, w których dane dotyczące defektów z przeszłości są wykorzystywane do analizy i wydawania w czasie rzeczywistym zaleceń dotyczących procesu, który należy dostosować.

5. Zrównoważony rozwój środowiska i gospodarka odpadami

Wyzwanie:

Odlewanie aluminium w formach piaskowych generuje odpady w postaci zużytego piasku, żużlu metalowego, pozostałości topnika i części poza specyfikacją. Szczególnie utylizacja piasku stanowi problem, ponieważ chemicznie związany piasek może nie być łatwy do recyklingu. Ponadto wysokie zużycie energii w procesie topienia znacznie zwiększa ślad węglowy w procesach odlewniczych.

Innowacyjność:

Większość postępowych odlewni inwestuje w systemy rekultywacji piasku w obiegu zamkniętym, które poddają recyklingowi wcześniej zużyty piasek w procesach termomechanicznych. Takie systemy zmniejszają liczbę wysypisk, a także koszty surowców. Pod względem energetycznym, indukcyjne piece do topienia są bardziej wydajne i mają minimalną emisję niż ich tradycyjne odpowiedniki, gazowe piece pogłosowe. Energia słoneczna, recykling ciepła odpadowego i monitorowanie energii w czasie rzeczywistym również pomagają odlewniom w ograniczaniu wpływu na środowisko, ponieważ spełniają one coraz bardziej rygorystyczne wymogi regulacyjne.

6. Ograniczenia nałożone przez stop i trudności w metalurgii

Wyzwanie:

Zastosowanie odpowiednich stopów aluminium w odlewnictwie piaskowym wiąże się z kompromisem między odlewalnością, właściwościami mechanicznymi i podatnością na obróbkę cieplną. Niektóre wysokowydajne stopy mają słabą płynność lub są podatne na rozrywanie na gorąco podczas krzepnięcia i jako takie nie mogą być stosowane w złożonych kształtach.

Innowacyjność:

Metalurdzy opracowują nowe specyfikacje stopów aluminium, które są specjalnie zaprojektowane do odlewania w formach piaskowych. Są to stopy modyfikowane metalami ziem rzadkich, które zwiększają płynność i minimalizują pękanie, a także proszki aluminium utwardzane nanocząsteczkami, które mają lepszy stosunek wytrzymałości do masy. Standaryzowane są również procesy rafinacji ziaren za pomocą stopów wzorcowych (np. Al-Ti-B) w celu uzyskania jednolitej mikrostruktury stopów i zapewnienia lepszych właściwości mechanicznych po odlaniu.

7. Cyfryzacja i inteligentne odlewnie

Wyzwanie:

Konwencjonalne odlewnie zasadniczo kierują się wiedzą, która jest głównie związana z doświadczeniem, a nie danymi w czasie rzeczywistym, a zatem w produkcji występuje niespójność i minimalna identyfikowalność.

Innowacyjność:

Inteligentne odlewnie powstają dzięki praktycznemu pojawieniu się technologii Przemysłu 4.0. Obiekty takie wykorzystują czujniki IoT, analitykę w chmurze i cyfrowe bliźniaki do obserwacji temperatury, ciśnienia, wilgotności, a także warunków panujących w formach na różnych etapach procesu odlewania. Informacje dotyczące różnych etapów są osadzone w scentralizowanych pulpitach nawigacyjnych, co pozwala na przewidywanie konserwacji, zapewnianie jakości i ciągłe doskonalenie. Cyfrowe bliźniaki, tworzące wirtualne rozszerzone wersje całego procesu odlewania, mogą być wykorzystywane do optymalizacji procesu i śledzenia przyczyn źródłowych bez zatrzymywania produkcji.

Wnioski

Odlewanie aluminium w formach piaskowych nadal odgrywa kluczową rolę w produkcji przemysłowej, umożliwiając wytwarzanie zarówno prostych, jak i złożonych części z wydajnością i oszczędnością. Proces ten jest jeszcze bardziej precyzyjny, zrównoważony i elastyczny, aby zaspokoić potrzeby nowoczesnej produkcji w miarę postępu w dziedzinie materiałoznawstwa i technologii odlewniczej. Wraz z rozwojem branży związanej z symulacją, automatyzacją i badaniami nad stopami, która osiągnęła wydajność odlewni aluminium, odrodzenie tego typu rzemiosła jest spóźnione ze względu na zapotrzebowanie na lekkie i wysokowydajne części metalowe.

Niezależnie od tego, czy chodzi o wyspecjalizowane usługi odlewania aluminium w piasku, czy też skrupulatną inżynierię odlewania w piasku. części aluminioweTechnika ta pozostanie integralną częścią branż, które cenią sobie integralność strukturalną, elastyczność projektowania i opłacalną produkcję.

Najczęściej zadawane pytania: Często zadawane pytania 

1: Czym jest odlewanie aluminium w piasku?

Odlewanie aluminium w formach piaskowych to proces, w którym stopione aluminium jest wlewane do form piaskowych w celu stworzenia złożonych części metalowych. Może być doskonale stosowany, gdy wymagana jest produkcja na niską lub średnią skalę, a w grę wchodzą duże części.

2: Gdzie stosowane są części aluminiowe odlewane w formach piaskowych?

Części aluminiowe odlewane w formach piaskowych są powszechnie stosowane w branży motoryzacyjnej, lotniczej, morskiej i przemysłowej do komponentów takich jak obudowy, wsporniki i części silnika.

3: Co należy zrobić, aby wybrać odpowiednią odlewnię aluminium?

Poszukaj odlewni znanej jako odlewnia piasku aluminiowego z szerokim zarządzaniem jakością, wsparciem inżynieryjnym, wiedzą na temat stopów i innymi możliwościami o wartości dodanej, takimi jak obróbka skrawaniem i obróbka cieplna.