Informații de contact
-
Wangshan Road, districtul Jiangbei, Ningbo, Zhejiang, China -
86-135-64796935
Obțineți o cotație
Cum turnarea sub presiune din aliajul de aluminiu îmbunătățește durabilitatea și performanța produsului
2025-07-03
În industria de producție din ce în ce mai competitivă de astăzi, companiile au cerințe fără precedent pentru calitatea produsului, performanță și durabilitate. În special în industriile de înaltă tehnologie, cum ar fi automobilele, aerospațiale, electronicele și echipamentele medicale, produsele nu numai că trebuie să aibă performanțe funcționale excelente, ci și să mențină capacități de funcționare stabile pe termen lung în diferite medii dure. Condus de această tendință, turnare sub presiune din aliaj de aluminiu devine tehnologia preferată de formare a metalelor pentru multe companii datorită proprietăților sale unice ale materialelor și procesului de fabricație eficient.
Turnarea sub presiune este un proces de formare a metalului care injectează în principal metalul topit într-o matriță de oțel prefabricată (adică, cavitatea matriței) la presiune înaltă și formează piesele necesare după răcire și solidificare. În comparație cu turnarea tradițională cu nisip sau forjarea, turnarea sub presiune poate obține o precizie dimensională mai mare, forme geometrice mai complexe și o calitate mai netedă a suprafeței, reducând astfel foarte mult etapele de prelucrare ulterioare.
Tehnologia de turnare sub presiune este utilizată pe scară largă în scenariile de producție în masă, în special în domeniul pieselor auto, carcaselor produselor electronice, radiatoarelor și pieselor structurale pentru aviație. Această tehnologie are caracteristicile unei eficiențe ridicate, consistență ridicată și precizie ridicată și este unul dintre mijloacele importante pentru a realiza producția la scară largă și controlul costurilor.
Dintre diferitele metale care pot fi folosite pentru turnarea sub presiune, aliajul de aluminiu a devenit unul dintre cele mai populare materiale datorită performanței sale excelente. Aluminiul în sine este un metal ușor, cu o densitate de numai o treime din cea a oțelului, dar proprietățile sale mecanice pot fi mult îmbunătățite după aliere. Aliajele obișnuite de aluminiu, cum ar fi A380, ADC12, A360 etc., nu numai că au performanțe bune de turnare, dar au și rezistență excelentă la coroziune, conductivitate termică și rezistență structurală.
Avantajele aliajului de aluminiu în turnarea sub presiune includ:
Ușor: Ușor, care ajută la reducerea greutății totale a produsului, potrivit în special pentru conservarea energiei și reducerea emisiilor în domeniile auto și aviație.
Rezistență ridicată: Cu o rezistență bună la curgere și ductilitate, este potrivit pentru piese structurale.
Conductivitate termică bună: Foarte potrivit pentru realizarea de componente de disipare a căldurii, cum ar fi lămpi cu LED-uri, carcase de alimentare etc.
Rezistență puternică la coroziune: filmul de oxid format natural poate rezista eficient la oxidare, mediu umed și coroziune chimică.
Ușor de prelucrat și de tratare a suprafeței: convenabil pentru tratarea ulterioară a suprafeței, cum ar fi anodizarea, galvanizarea, pulverizarea etc.
Datorită avantajelor de mai sus, turnarea sub presiune din aliaj de aluminiu poate îndeplini nu numai cerințele de rezistență și funcționale, ci și atinge obiectivele duble de structură ușoară și aspect frumos, ceea ce o face să joace un rol din ce în ce mai important în producția industrială.
Odată cu îmbunătățirea standardelor globale de producție și îmbunătățirea așteptărilor utilizatorilor, produsele nu numai că trebuie să funcționeze bine în funcționarea inițială, ci și să își mențină funcționalitatea, siguranța și fiabilitatea în timpul utilizării pe termen lung. În special în următoarele industrii:
Industria auto: piesele trebuie să fie rezistente la temperaturi ridicate, impacturi și oboseală pentru a asigura siguranța la conducere.
Aerospațial: Materialele trebuie să aibă un raport rezistență/greutate foarte mare și să rămână stabile în medii extreme.
Electronice de larg consum: produsele sunt actualizate rapid, dar utilizatorii se așteaptă ca acestea să aibă o durabilitate și o textură excelente în timpul utilizării pe termen lung.
Mașini industriale: Stabilitatea componentelor cheie afectează în mod direct eficiența de funcționare și ciclul de viață al întregului echipament.
Cum să îmbunătățiți performanța și durata de viață a produsului fără creșterea costurilor a devenit o problemă urgentă pentru companiile producătoare. Turnarea sub presiune din aliaj de aluminiu este una dintre soluțiile ideale de proces pentru a atinge acest obiectiv.
Întregul proces de turnare sub presiune include de obicei următorii pași principali:
Proiectarea și fabricarea matriței: Proiectați o matriță specială de turnare sub presiune în conformitate cu structura produsului. Matrița este de obicei realizată din oțel aliat de înaltă rezistență și poate rezista la temperaturi ridicate și presiune înaltă.
Topirea aliajului de aluminiu: Se încălzește materialul din aliaj de aluminiu până la punctul său de topire pentru a forma un aliaj de aluminiu lichid. Temperatura generală de topire este peste 660 ℃, care variază ușor în funcție de diferitele componente ale aliajului.
Injectarea metalului topit: aliajul de aluminiu topit este injectat în cavitatea matriței la o viteză mare (de obicei câțiva metri pe secundă) prin mașina de turnare sub presiune. Acest pas trebuie finalizat într-un timp foarte scurt, de obicei doar câteva milisecunde până la câteva secunde.
Răcire și solidificare: lichidul de aluminiu este răcit și solidificat rapid în cavitatea matriței pentru a forma forma dorită de turnare. Viteza de răcire rapidă ajută la îmbunătățirea densității și rezistenței structurii metalice.
Deschiderea matriței și scoaterea piesei: După deschiderea matriței, turnarea sub presiune este ejectată de mecanismul ejector, urmată de operații de post-procesare, cum ar fi îndepărtarea fulgerului și a bavurilor.
Prelucrare și testare ulterioară: Unele piese turnate sub presiune necesită o prelucrare secundară, cum ar fi găurirea, filetarea, lustruirea, galvanizarea etc., iar inspecția dimensiunii și aspectului este necesară pentru a se asigura că calitatea îndeplinește standardele.
Procesele de turnare sub presiune pot fi împărțite în două tipuri: turnare sub presiune cu cameră rece și turnare sub presiune cu cameră fierbinte. Printre acestea, turnarea sub presiune din aliaj de aluminiu adoptă în cea mai mare parte turnarea sub presiune cu cameră rece, deoarece aluminiul are un punct de topire ridicat și corodează ușor materialul camerei matrițe, care nu este potrivit pentru metodele cu cameră fierbinte.
Există multe tipuri de aliaje de aluminiu pentru turnare sub presiune, iar diferitele grade au proprietăți mecanice, proprietăți de prelucrare și rezistență la coroziune diferite. Următoarele sunt cele mai comune tipuri de aliaje de aluminiu în mai multe industrii:
A380 (sau ADC10)
Caracteristici: Este unul dintre cele mai utilizate aliaje de turnare sub presiune din aluminiu, cu o bună fluiditate, capacitate de turnare și rezistență la coroziune, rezistență și rigiditate ridicate.
Aplicație: Folosit pe scară largă în piese auto, carcase electrice, produse electronice, lămpi, piese mecanice etc.
A360
Caracteristici: Are o rezistență mai bună la coroziune și performanță la temperaturi ridicate și o fluiditate mai bună, dar performanța de procesare este ușor inferioară A380.
Aplicație: Potrivit pentru scene cu cerințe ridicate de rezistență la coroziune, cum ar fi echipamente de exterior, piese marine etc.
ADC12 (echivalent cu YL113 în China)
Caracteristici: Un aliaj de aluminiu utilizat în mod obișnuit în standardele japoneze, cu performanțe bune de turnare, rezistență la căldură, rezistență la uzură și performanță de procesare și rezistență ridicată.
Aplicație: Folosit în mod obișnuit în produse de gamă medie până la înaltă, cum ar fi piese auto, carcase audio, unelte electrice și carcase pentru telefoane mobile.
Altele includ:
AlSi9Cu3 (EN AC-46000): aliaj de turnare sub presiune utilizat în mod obișnuit în Europa, cu fluiditate bună și performanțe bune de sudare;
AlSi12 (EN AC-44100): Folosit pentru produse complexe cu pereți subțiri, cu o ductilitate bună;
YL104, ZL101: aliaje utilizate în mod obișnuit în China.
Aliajele de aluminiu au avantaje de neînlocuit în aplicațiile de turnare sub presiune, care se reflectă în principal în următoarele aspecte:
Greutate ușoară (ușoară)
Densitatea aluminiului este de numai 2,7 g/cm³, adică aproximativ o treime din cea a oțelului. În industrii precum aerospațial, automobile și electronice, reducerea greutății totale a produselor este cheia pentru reducerea consumului de energie și îmbunătățirea performanței, astfel încât aliajele de aluminiu au devenit materialul preferat. De exemplu, vehiculele cu energie nouă utilizează un număr mare de piese turnate sub presiune din aliaj de aluminiu pentru a reduce greutatea întregului vehicul și pentru a îmbunătăți anduranța.
Rezistență ridicată și proprietăți mecanice bune
Aliajele moderne de aluminiu nu numai că au o rezistență specifică ridicată (raport rezistență/densitate), dar au și o bună rezistență la impact și rezistență la oboseală. După tratamentul termic și optimizarea procesării, rezistența sa este suficientă pentru a îndeplini cerințele de utilizare ale majorității pieselor structurale. Este potrivit în special pentru piesele care trebuie să reziste la anumite sarcini mecanice, cum ar fi carcasele motorului, suporturile, conectorii mecanici etc.
Rezistență excelentă la coroziune
Aluminiul va forma rapid o peliculă densă de protecție cu oxid de aluminiu în aer pentru a preveni oxidarea ulterioară în interior. Aliajele de aluminiu au rezistență bună la intemperii, rezistență la oxidare și rezistență la coroziune. De asemenea, pot menține o durată de viață lungă în medii umede, ploi acide și alte medii și sunt potrivite pentru medii în aer liber sau marine.
Procesabilitate bună și conductivitate termică
Piesele turnate sub presiune din aliaj de aluminiu pot fi prelucrate cu ușurință după răcire, cum ar fi strunjirea, găurirea, filetarea etc., și nu sunt generate gaze nocive în timpul procesării. În același timp, aluminiul are o conductivitate termică și o conductivitate electrică bună, ceea ce îl face să funcționeze bine în carcasele produselor electronice, radiatoare etc.
Aspect bun și decorativitate
Calitatea suprafeței pieselor din aliaj de aluminiu turnat sub presiune este ridicată și este ușor de realizat tratamente de suprafață, cum ar fi galvanizarea, pulverizarea și anodizarea, putând fi transformate în piese strălucitoare, frumoase și decorative. În carcasele produselor electronice de consum 3C (cum ar fi telefoanele mobile și laptopurile), produsele turnate sub presiune din aluminiu țin cont atât de structură, cât și de estetică și sunt profund favorizate.
Unul dintre cele mai mari avantaje structurale ale turnării sub presiune din aliaj de aluminiu este raportul lor ridicat rezistență-greutate. Adică, deși aliajele de aluminiu au o densitate scăzută și o greutate redusă, ele pot avea proprietăți mecanice foarte bune după un proiect rezonabil de aliere și un proces de turnare sub presiune:
Densitate scăzută: densitatea aluminiului este de aproximativ 2,7 g/cm³, care este doar aproximativ 1/3 din cea a oțelului. Acest lucru face ca turnarea sub presiune să fie ușoară, ceea ce contribuie la reducerea încărcăturii echipamentelor sau a întregii mașini.
Rezistență ridicată: După turnare sub presiune, aliajele precum A380 și ADC12 pot atinge o rezistență la tracțiune de peste 300 MPa, ceea ce este suficient pentru a satisface nevoile majorității aplicațiilor structurale și de încărcare medie.
Rigiditate ridicată și rezistență la oboseală: aliajele de aluminiu au o rezistență bună la oboseală sub sarcini dinamice și sunt foarte potrivite pentru fabricarea pieselor precum carcasele motorului, consolele, conectorii, cadrele etc.
Acest raport ideal între rezistență și greutate face ca turnarea sub presiune din aliaj de aluminiu să fie atât puternică, cât și durabilă și nu aduce o sarcină suplimentară sistemului, prelungind astfel durata de viață generală a echipamentului, potrivite în special pentru automobile, aviație, robotică, echipamente de exterior și alte domenii.
Aliajele de aluminiu au, de asemenea, avantaje naturale în conducția termică și electrică, ceea ce este deosebit de important în cazul temperaturilor ridicate, ciclului termic sau echipamentelor electronice:
Conductivitate termica:
Conductivitatea termică a aliajelor de aluminiu este de obicei 130-180 W/m·K (în funcție de tipul de aliaj), care este mult mai mare decât cea a fierului, oțelului și a altor materiale.
Această caracteristică permite turnării sub presiune din aluminiu să disipeze rapid căldura, să evite supraîncălzirea echipamentului și să îmbunătățească durabilitatea componentelor în medii calde.
Este utilizat în sistemele de răcire a motorului, bazele de răcire cu LED-uri, carcasele de răcire a telefoanelor mobile, carcasele invertoarelor și alte domenii și funcționează bine.
Conductivitate electrica:
Deși conductivitatea electrică a aliajelor de aluminiu este mai mică decât cea a cuprului pur, este totuși mult mai mare decât cea a majorității materialelor structurale și funcționează bine în componentele care necesită conductivitate (cum ar fi carcasele motorului și cutiile de joncțiune).
În același timp, aliajele de aluminiu sunt ușoare și sunt ideale pentru fabricarea de carcase electrice de dimensiuni mari și ușoare sau piese de ecranare.
Conductivitatea termică și electrică îmbunătățită nu numai că face performanța produsului mai stabilă, dar și reduce daunele cauzate de supraîncălzire, oboseală termică, rezistență excesivă etc., îmbunătățind astfel durabilitatea generală.
Piesele turnate sub presiune din aliaj de aluminiu au o rezistență excelentă la coroziune, care este cheia aplicațiilor lor de lungă durată în echipamentele de exterior, piese auto, piese marine și alte scenarii:
Aluminiul reacționează rapid cu oxigenul din aer pentru a forma o peliculă protectoare densă de oxid de aluminiu (Al₂O₃), care are o stabilitate extrem de puternică și poate preveni eficient oxidarea ulterioară.
Aliajele de aluminiu pot menține o suprafață bună și integritatea structurală chiar și în climate aspre, cum ar fi umiditatea, cantitatea de sare și ploile acide.
Nu este ușor să ruginească și să reziste îmbătrânirii UV, ceea ce poate reduce decojirea suprafeței, crăparea, perforarea coroziunii și alte probleme cauzate de factorii de mediu.
Tratamentul de suprafață (cum ar fi anodizarea, acoperirea electroforetică, pulverizarea cu pulbere, vopsirea etc.) poate îmbunătăți și mai mult capacitatea sa de protecție și poate prelungi durata de viață.
Această bună adaptabilitate la mediu înseamnă că produsul își poate menține în continuare performanța și aspectul atunci când este expus la exterior, medii industriale sau zone foarte poluate pentru o perioadă lungă de timp, reducând costurile de întreținere.
Un alt avantaj principal al turnării sub presiune din aliaj de aluminiu este că poate produce piese cu structură consistentă și dimensiuni precise, ceea ce garantează stabilitatea și fiabilitatea pe termen lung a produsului de la sursă.
Fabricarea matriței de precizie:
Matrița de turnare sub presiune este realizată din oțel de înaltă rezistență, cu precizie ridicată a cavității, care poate produce în masă piese cu repetabilitate puternică, asigurând consistența pieselor.
În linia de producție complet automată de turnare sub presiune, eroarea dimensională poate fi controlată în intervalul de ± 0,05 mm sau chiar mai mic.
Tratament termic și stabilitate la îmbătrânire:
Formula de aliaj rezonabilă și procesul de tratament termic (cum ar fi tratamentul cu soluție și tratamentul îmbătrânirii) pot îmbunătăți densitatea organizației, pot reduce stresul intern și pot îmbunătăți stabilitatea dimensională a materialului.
Chiar și în mediul de utilizare pe termen lung sau schimbări drastice de temperatură, turnarea sub presiune nu este ușor de deformat.
Structură uniformă a materialului:
Injecția de înaltă presiune și răcirea rapidă fac ca piesele turnate sub presiune din aliaj de aluminiu să aibă o structură de cereale mai densă, mai puțini pori și contracție, îmbunătățind astfel uniformitatea rezistenței și performanța generală.
O bună consistență structurală nu numai că îmbunătățește eficiența asamblarii și stabilitatea de funcționare a produsului, dar și reduce foarte mult costul de întreținere și înlocuire, prelungind durata de viață a întregului echipament de la nivel de sistem.
În industria auto, blocul motor și carcasa transmisiei sunt două componente importante care sunt supuse unor solicitări mecanice și termice ridicate. Odată cu promovarea politicilor de conservare a energiei și de reducere a emisiilor, producătorii auto acordă din ce în ce mai multă atenție eficienței ușoare și ridicate a sistemului de alimentare și, prin urmare, propun cerințe de performanță mai ridicate pentru aceste componente cheie.
Blocul motor este zona centrală a arderii și mișcării în motorul cu ardere internă. Trebuie să reziste la temperaturi ridicate și presiune ridicată generate de explozia de ardere și de frecarea și impactul cauzate de mișcarea alternativă de mare viteză a pistonului. Prin urmare, trebuie să aibă o rezistență excelentă la temperatură ridicată, conductivitate termică și rezistență la uzură. Deși materialele tradiționale din fontă au o rezistență ridicată, ele sunt grele și nu sunt propice pentru un design ușor. În ultimii ani, aliajele de aluminiu au devenit materialul preferat, în special aliajele de aluminiu-siliciu cu un conținut ridicat de siliciu. Nu numai că au o rezistență și o conductivitate termică bune, dar sunt și ușor de turnat sub presiune în forme complexe, îmbunătățesc integrarea structurală și reduc costurile de procesare. În plus, întărirea peretelui cilindrului folosind acoperirea cu plasmă sau tehnologia de pulverizare termică poate, de asemenea, îmbunătăți în mod eficient rezistența la uzură și durata de viață.
Carcasa cutiei de viteze este responsabilă pentru găzduirea componentelor cheie, cum ar fi angrenajele, rulmenții de susținere și sistemele de lubrifiere. Nu numai că trebuie să mențină stabilitatea dimensională precisă și să asigure precizia angrenajului angrenajului, ci și să aibă o rezistență bună la șocuri și capacități de reducere a zgomotului. Aliajele de aluminiu ușoare și de înaltă rezistență și aliajele de magneziu au mari avantaje în acest sens. Pe fundalul dezvoltării rapide a vehiculelor electrice, reducerea greutății a devenit o prioritate de design. În plus, tehnologiile avansate de turnare sub presiune (cum ar fi turnarea sub vid și turnarea sub presiune) pot îmbunătăți densitatea și calitatea suprafeței, asigurând în același timp rezistența, reducând riscul de scurgere și concentrare a tensiunilor. Unele modele de ultimă generație au început chiar să folosească materiale compozite din fibră de carbon pentru a fabrica carcasele cutiei de viteze pentru a optimiza și mai mult performanța de putere a vehiculului.
În producția de automobile, utilizarea materialelor de înaltă performanță și a tehnologiei de turnare cu precizie poate nu numai să îmbunătățească performanța globală a motorului și a cutiei de viteze, ci și să îmbunătățească semnificativ eficiența combustibilului, capacitatea de răspuns și durata de viață a vehiculului și să promoveze industria auto să se îndrepte către o direcție ecologică și eficientă.
Industria aerospațială are cerințe de performanță extrem de ridicate pentru materialele structurale, în special în echipamentele de ultimă generație, cum ar fi avioanele, motoarele și platformele de satelit. Nu numai că obiectivul de greutate redusă trebuie îndeplinit, dar trebuie să se asigure și rezistența structurală, rezistența la căldură și rezistența la oboseală în medii extreme. Îmbunătățirea performanței cuprinzătoare a acestor componente cheie este direct legată de eficiența zborului, siguranța și optimizarea distanței și a sarcinii.
Principalele componente structurale ale aeronavei, cum ar fi fuzelajul și aripile, sunt expuse la altitudine mare, la temperatură scăzută și la sarcină mare pentru o lungă perioadă de timp. Pentru a reduce greutatea întregii mașini și pentru a menține rigiditatea structurală, trebuie utilizate materiale cu rezistență specifică ridicată și densitate scăzută. Aliajul aluminiu-litiu este unul dintre materialele importante pentru fabricarea fuselajului aeronavelor civile mari și a aeronavelor militare de transport datorită rezistenței sale specifice excelente și rigidității specifice. În comparație cu aliajele tradiționale de aluminiu, aliajul de aluminiu-litiu are o densitate mai mică, un modul elastic mai mare și o rezistență bună la oboseală. În plus, aliajele de titan au performanțe remarcabile în ceea ce privește rezistența la oxidare la temperatură înaltă și rezistența la coroziune și sunt utilizate pe scară largă în paletele compresoarelor, piesele de conectare și structurile de piele ale motoarelor de aeronave, în special în avioanele de luptă supersonice și cu raport mare tracțiune-greutate.
În proiectarea navelor spațiale, ușurarea este unul dintre obiectivele cu cea mai mare prioritate. Materialele compozite armate cu fibră de carbon (CFRP) au jucat un rol important în suporturile de satelit, structurile panourilor solare, compartimentele rachetelor și alte locații datorită rezistenței specifice excelente, rezistenței la căldură și formabilității. Prin analiza cu elemente finite și proiectarea de optimizare a topologiei, traseul de încărcare poate fi distribuit în mod rezonabil, redundanța structurală poate fi redusă la minimum și eficiența utilizării materialelor poate fi îmbunătățită.
Structurile aerospațiale trebuie, de asemenea, să facă față degradării materialelor cauzate de vibrații de lungă durată, oboseală de înaltă frecvență și cicluri termice. În acest scop, modelele avansate de analiză a oboselii și tehnologiile de testare nedistructivă sunt utilizate pe scară largă în etapele de fabricație și întreținere pentru a se asigura că componentele mențin o fiabilitate ridicată pe parcursul duratei de viață. În viitor, odată cu maturitatea noilor materiale compozite pe bază de metal și a tehnologiei de fabricație aditivă (imprimare 3D), performanța componentelor aerospațiale va depăși și mai mult limitările tradiționale și va obține capabilități de executare a misiunilor de zbor mai eficiente și mai sigure.
În dispozitivele electronice moderne, creșterea rapidă a densității de putere a dus la o creștere semnificativă a generării de căldură, în special în servere, stații de bază de comunicații, echipamente 5G, computere de înaltă performanță și sisteme de control electronic al vehiculelor cu energie noi. Gestionarea disipării căldurii a devenit un factor cheie în asigurarea funcționării stabile a sistemului și prelungirea duratei de viață a acestuia. În același timp, produsele electronice prezintă, de asemenea, cerințe multiple pentru materialele de carcasă care combină rezistența structurală, ecranarea electromagnetică și funcțiile de management termic.
Designul radiatorului afectează direct controlul temperaturii cipului sau elementului de putere. În prezent, materialele utilizate pe scară largă includ aluminiul și cuprul de înaltă puritate, printre care cuprul are o conductivitate termică mai bună, dar aluminiul are mai multe avantaje ca greutate și cost. Pentru a îmbunătăți eficiența disipării căldurii, structurile de răcire cu aripioare, conducte de căldură sau lichide sunt de obicei utilizate pentru a maximiza zona de schimb de căldură și pentru a optimiza calea de conducție a căldurii. Materialele avansate de interfață termică (TIM), cum ar fi siliconul conductiv termic, materialele cu schimbare de fază, foile de grafit etc., sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă între cipuri și radiatoare pentru a reduce rezistența termică de contact și pentru a îmbunătăți eficiența transferului de căldură.
Carcasa echipamentelor electronice nu joacă doar un rol de protecție fizică, dar trebuie și să îndeplinească sarcini multiple, cum ar fi ecranarea interferențelor electromagnetice, disiparea căldurii și suport structural. Materialele comune ale carcasei includ aliaj de aluminiu, oțel inoxidabil și materiale plastice de inginerie (cum ar fi materialele compozite PC ABS). Printre acestea, aliajul de aluminiu este utilizat pe scară largă în laptopuri, routere, module de putere și alte echipamente datorită conductivității termice excelente, ecranării electromagnetice și procesabilității bune. Rezistența la coroziune și efectul decorativ al carcasei pot fi îmbunătățite în continuare prin anodizare, pulverizare sau acoperire conductivă.
În ceea ce privește proiectarea structurii produsului, tendințele de modularizare, pereți subțiri și design integrat devin din ce în ce mai evidente, având ca scop îmbunătățirea utilizării spațiului și facilitarea asamblarii rapide. În același timp, proiectarea în colaborare a disipării căldurii și a structurii devine din ce în ce mai importantă. De exemplu, în GPU-uri de înaltă performanță sau module 5G RF, designul unei carcase integrate de disipare a căldurii poate reduce în mod eficient acumularea de căldură și poate spori rezistența generală a sistemului. Pentru cutia de control electrică sau sistemul de management al bateriei (BMS) al vehiculelor cu energie nouă, carcasa trebuie să țină cont și de prevenirea incendiilor, impermeabilizare, rezistență la șocuri și alte funcții și să asigure funcționarea stabilă în medii dure.
Managementul termic și proiectarea structurală în echipamentele electronice sunt cheia pentru îmbunătățirea performanței întregii mașini. Prin optimizarea selecției materialelor, inovarea structurală și îmbunătățirea procesului de fabricație, fiabilitatea echipamentului poate fi îmbunătățită în mod eficient, durata de viață poate fi prelungită și nevoile scenariilor de aplicare din ce în ce mai complexe pot fi îndeplinite.
În domeniul automatizării medicale și industriale, echipamentele au cerințe extrem de stricte privind acuratețea, fiabilitatea și siguranța materialelor componentelor cheie. Aceste scenarii de aplicare implică adesea condiții speciale, cum ar fi dimensiuni mici, funcționare de înaltă frecvență și mediu de lucru extrem. Prin urmare, componentele de înaltă precizie utilizate trebuie prelucrate cu precizie și selectarea materialelor de înaltă performanță pentru a asigura performanțe excelente pe tot parcursul ciclului de viață.
În ceea ce privește dispozitivele medicale, componentele de înaltă precizie sunt utilizate pe scară largă în endoscoape, roboți chirurgicali, instrumente dentare, implanturi (cum ar fi articulațiile șoldului, șuruburi osoase) și alte produse. Aceste componente trebuie să îndeplinească două cerințe de bază: una este o precizie dimensională și geometrică extrem de ridicată, iar cealaltă este biocompatibilitatea cu corpul uman. Materialele utilizate în mod obișnuit includ materiale polimerice, cum ar fi oțelul inoxidabil (cum ar fi 316L), aliajul de titan (cum ar fi Ti-6Al-4V) și PEEK, care nu numai că au proprietăți mecanice bune, dar pot fi în contact pe termen lung cu țesutul uman fără a provoca reacții de respingere sau inflamatorii. În ceea ce privește tehnologia de fabricație, utilizarea mijloacelor de precizie, cum ar fi prelucrarea CNC cu cinci axe, prelucrarea cu electrospark și tăierea cu laser poate realiza un control dimensional la nivel de microni; în același timp, prin lustruire, lustruire electrolitică și tratare a suprafeței, finisajul suprafeței și rezistența la coroziune pot fi îmbunătățite, iar probabilitatea de atașare a bacteriilor poate fi redusă.
În automatizarea industrială și în fabricarea echipamentelor, piesele de înaltă precizie sunt, de asemenea, cruciale. De exemplu, angrenajele de precizie, șinele de glisare, ansamblurile de ax utilizate în mașinile-unelte de mare viteză, efectorii roboților și echipamentele optice de măsurare, precizia lor de funcționare determină în mod direct repetabilitatea și calitatea procesării întregului sistem. Aceste componente sunt fabricate în mare parte din oțel de scule, oțel rapid sau carbură cimentată, iar duritatea și rezistența la uzură sunt îmbunătățite prin procese de tratament termic (cum ar fi cementarea și călirea, încălzirea prin inducție etc.). Unele industrii care sunt extrem de sensibile la controlul calității, cum ar fi producția de semiconductori și inspecția pieselor de aviație, folosesc, de asemenea, aliaje nemagnetice sau materiale ceramice pentru a îndeplini cerințele speciale de performanță fizică.
Odată cu avansarea Industriei 4.0 și a producției inteligente, fabricarea aditivă (imprimare 3D), gemenii digitale și tehnologiile de inspecție online sunt aplicate treptat procesului de fabricație a componentelor de înaltă precizie, ceea ce nu numai că îmbunătățește libertatea de proiectare, dar realizează și urmărirea calității și managementul ciclului de viață mai eficient. În același timp, integrarea unor tehnologii precum automatizarea asamblajelor, simularea proceselor și controlul colaborativ pe mai multe axe a făcut ca rolul componentelor de înaltă precizie în aplicațiile medicale și industriale să fie din ce în ce mai important, susținând dezvoltarea rapidă a întregii industrii către fiabilitate ridicată, întreținere redusă și performanță ridicată.
Tehnicile tradiționale de prelucrare, cum ar fi strunjirea, frezarea și găurirea, sunt foarte eficiente pentru piesele cu forme regulate și contururi simple, dar sunt adesea dificil de fabricat, costisitoare sau chiar imposibil de realizat atunci când se confruntă cu structuri complexe, cum ar fi suprafețe neliniare, structuri goale, canale cu mai multe cavități sau spații de asamblare extrem de mici. Procesele moderne de turnare de precizie (cum ar fi turnarea cu ceară pierdută, turnarea prin micro-injecție, turnarea metalurgiei pulberilor etc.) și fabricarea aditivă (cum ar fi topirea selectivă cu laser SLM, topirea cu fascicul de electroni EBM, stereolitografie SLA etc.) pot face față cu ușurință provocărilor de fabricație ale unor astfel de structuri complexe.
De exemplu, în proiectarea duzelor pentru motorul de aeronave sau a canalelor de răcire, este adesea necesară încorporarea în interior a unor structuri tortuoase ale canalelor de răcire. Dacă astfel de forme geometrice sunt prelucrate folosind procese tradiționale, nu numai că sunt dificil de prelucrat, dar pot afecta și consistența pieselor. Cu tehnologia de imprimare 3D din metal, designerii pot integra direct aceste structuri complexe în modelul piesei și le pot forma dintr-o singură mișcare în timpul procesului de imprimare, fără a fi nevoie de pași suplimentari de procesare, îmbunătățind astfel considerabil libertatea de proiectare și complexitatea geometrică. În același timp, precizia poate fi controlată cu ±0,01 mm, ceea ce răspunde pe deplin nevoilor scenariilor de aplicare de înaltă precizie, cum ar fi aviația, tratamentul medical și microelectronica.
Combinația dintre fabricarea asistată de calculator (CAM) și prelucrarea CNC cu legături pe cinci axe a îmbunătățit, de asemenea, capacitățile de procesare ale pieselor geometrice complexe. Prin planificarea precisă a traseului și controlul adaptiv al sculei, poate fi efectuată prelucrarea de înaltă precizie a structurilor detaliate, cum ar fi teșiturile, suprafețele curbe și teșiturile, controlând eficient toleranțele dimensionale și rugozitatea suprafeței. Această capacitate face ca integrarea funcțională și proiectarea de optimizare structurală să devină realitate și, de asemenea, promovează dezvoltarea producției către o complexitate ridicată și performanță ridicată.
Prin metode avansate de fabricație, designerii pot integra funcții care necesită în mod tradițional asamblarea mai multor piese într-o singură structură, simplificând astfel componentele, reducând greutatea și îmbunătățind rezistența. Acest design funcțional integrat este mijlocul de bază al „proiectării de reducere a greutății”, „optimizării structurale” și „îmbunătățirea eficienței asamblarii”, în special în industria aerospațială, automobile, echipamente medicale și alte domenii.
De exemplu, în producția aerospațială, componentele tradiționale ale trenului de aterizare sau suporturile motorului pot fi asamblate din zeci sau chiar sute de piese. Nu numai că procesul de asamblare este complicat, dar pot apărea și concentrarea tensiunilor, slăbiciune structurală sau riscuri de coroziune la îmbinări. Fabricarea aditivă sau turnarea integrată poate integra mai multe structuri funcționale într-o componentă integrală, reducând foarte mult legăturile de asamblare, îmbunătățind proprietățile mecanice și eliminând defectele de conectare, cum ar fi șuruburile și sudurile.
În industria medicală, instrumentele chirurgicale complexe, implanturile ortopedice, cum ar fi dispozitivele de fuziune intervertebrală, articulațiile artificiale etc. pot realiza, de asemenea, un design structural integrat prin integrarea funcțională pentru a reduce riscul de eșec și complicații post-implantare. Designul integrat poate reduce semnificativ abaterile dimensionale, erorile de formă și poziție și problemele de potrivire cauzate de îmbinarea pieselor, îmbunătățind fundamental consistența produsului și stabilitatea calității.
Această integrare a componentelor nu numai că realizează optimizarea la nivel structural, dar facilitează și întreținerea ulterioară, upgrade-urile și remanufacturarea, reducând costurile de producție și management ale produsului pe tot parcursul ciclului său de viață.
În producția tradițională, structurile complexe necesită adesea mai multe procese și mai multe echipamente pentru a fi finalizate împreună, cum ar fi prelucrarea brută, prelucrarea fină, perforarea, filetarea, sudarea, nituirea, pulverizarea, etc. Fiecare proces suplimentar nu numai că crește costurile, dar crește și probabilitatea de eroare și de variație a procesului. Cu toate acestea, printr-un design extrem de integrat combinat cu procese avansate de fabricație, legăturile ulterioare de prelucrare și tratare a suprafeței pot fi reduse semnificativ.
Luând ca exemplu turnarea sub presiune din aliaj de aluminiu, tehnologia modernă de turnare sub presiune poate realiza turnarea unică a geometriilor complexe și a structurilor cu pereți subțiri, iar după prelucrare nu este necesară nicio post-procesare sau foarte puțină post-procesare. De exemplu, în imprimarea 3D din metal, piesele cu fire interne, structuri de plasă și materiale cu gradient funcțional pot fi formate direct fără perforare, strunjire sau asamblare suplimentară, scurtând foarte mult ciclul de fabricație. În același timp, rata de utilizare a materiilor prime a fost, de asemenea, îmbunătățită - rata de utilizare a materialelor metodelor tradiționale de prelucrare a tăierii este, în general, de numai 30 ~ 50%, în timp ce tehnologia de fabricație aditivă poate ajunge la mai mult de 90%, reducând foarte mult deșeurile.
În plus, reducerea etapelor de procesare poate ajuta, de asemenea, la îmbunătățirea consistenței produsului și a ratei de randament. Fiecare conversie de proces poate duce la acumularea de erori și la fluctuații de calitate. Fabricarea integrată scurtează lanțul de producție și reduce interferența umană, ceea ce este favorabil producției la scară largă de înaltă calitate.
Dintr-o perspectivă industrială, reducerea proceselor de procesare și post-procesare nu numai că ajută la reducerea costurilor directe de producție, ci și la reducerea consumului de energie, reduce investițiile și întreținerea echipamentelor și scurtează ciclurile de livrare a produselor. Este o manifestare importantă a producției ecologice și a dezvoltării durabile.
Flexibilitatea proiectării structurale se reflectă și în aplicarea practică a optimizării topologiei. Optimizarea topologiei este o metodă de proiectare care utilizează modelarea matematică pentru a găsi metoda optimă de distribuție a materialului în condiții la limită date, sarcini și constrângeri de material. Rezultă adesea structuri netradiționale, cu formă liberă, care sunt extrem de dificil de realizat prin procesare convențională, dar care pot fi fabricate eficient prin imprimare 3D sau prin procese de turnare de precizie.
De exemplu, structura de sprijin din interiorul aeronavei, structura de conectare a brațului robotului, componentele bionice de tip schelet etc., optimizarea topologiei poate reduce semnificativ greutatea cu 20% ~ 50%, menținând sau chiar îmbunătățind proprietățile mecanice originale. Această optimizare poate fi, de asemenea, combinată cu analiza de simulare a câmpului multi-fizic (cum ar fi câmpul de stres termic, câmpul de vibrații) pentru a realiza un proiect multi-obiectiv al cuplajului termic-mecanic, anti-vibrații și reducerea greutății.
În plus, ca formă îmbunătățită de optimizare a topologiei, proiectarea generativă poate genera rapid zeci sau chiar sute de scheme de proiectare structurală combinate cu algoritmi de inteligență artificială și poate analiza rapid cele mai bune rezultate prin simulare. Aceste forme sunt adesea dificil de realizat prin procese tradiționale, dar pot fi transformate direct în produse fizice prin tehnologii avansate precum imprimarea metalelor și micro-turnarea, astfel încât conceptele de design și capacitățile de producție să poată fi cu adevărat unificate.
Când scara de producție este extinsă, costul unitar scade semnificativ, ceea ce este una dintre cele mai de bază și mai eficiente modalități de reducere a costurilor în industria de producție. Acest efect este deosebit de important în tehnologiile de producție cu automatizare ridicată și investiții fixe în matriță, cum ar fi turnarea sub presiune la presiune înaltă, turnarea prin injecție, metalurgia pulberilor și turnarea de precizie. După finalizarea dezvoltării matriței, aceste procese pot fi rulate continuu în loturi pentru a replica rapid piesele complexe, diluând astfel investiția inițială și reducând semnificativ costul de producție al fiecărei piese.
De exemplu, în industria auto, piesele precum carcasele cutiei de viteze sau suporturile motorului sunt adesea produse în serie folosind presiune înaltă. turnare sub presiune din aliaj de aluminiu proceselor. Deși dezvoltarea matriței inițiale și investiția în echipamente sunt mari, în cadrul ciclului de producție de zeci de mii sau chiar sute de mii de bucăți, costul marginal al fiecărui produs poate fi redus la mai puțin de 1/5 din piesele prelucrate tradiționale. În același timp, aplicarea sistemelor de turnare sub presiune complet automatizate și a sistemelor inteligente de detectare reduce cerințele de forță de muncă și probabilitatea de erori, îmbunătățind și mai mult eficiența producției.
Promovarea designului standardizat și modular ajută, de asemenea, la creșterea gradului de producție în loturi. Prin partajarea designului structural al pieselor pentru mai multe platforme de produse, nu numai că poate fi extinsă scara de producție a unei singure piese, dar și tipurile de matrițe, costurile de inventar și investițiile ulterioare de întreținere pot fi reduse.
Această strategie eficientă de dozare este potrivită în special pentru industriile cu cerere mare, cum ar fi electronicele de larg consum, electrocasnicele, echipamentele de transport și echipamentele medicale. Nu numai că asigură consistența și fiabilitatea pieselor, dar realizează și un control bun al costurilor.
Performanța ridicată a costurilor nu înseamnă doar avantaje de cost în etapa de fabricație, ci reflectă și optimizarea costurilor ciclului de viață al produsului. Prin selectarea materialelor de înaltă performanță, optimizarea designului structural și a preciziei de fabricație, frecvența de întreținere, rata de defecțiuni și ciclul de înlocuire a produsului în timpul service-ului sunt mult reduse, aducând astfel utilizatorilor costuri de utilizare globale mai mici.
De exemplu, în domeniile mașinilor de inginerie, transportului feroviar, echipamentelor energetice etc., unele componente cheie (cum ar fi cilindri hidraulici, corpuri de supape, bucșe rezistente la uzură etc.) sunt supuse unor lucrări de sarcină mare pe termen lung. Dacă sunt utilizate materiale obișnuite și metode de procesare, este predispusă să apară uzura timpurie sau oboseala structurală, ceea ce duce la întreținerea timpului de nefuncționare sau chiar la înlocuirea întregii mașini. Prin utilizarea materialelor din aliaj rezistente la coroziune și la uzură (cum ar fi aliaje pe bază de nichel, oțeluri pentru scule și aliaje de titan), combinate cu tratament termic și întărirea suprafeței (cum ar fi cementarea, nitrurarea și acoperirea PVD), durata de viață a pieselor poate fi îmbunătățită semnificativ. Deși prețul unitar inițial poate fi puțin mai mare, nu este nevoie de înlocuire și întreținere frecventă pe durata duratei de viață, iar costul total de proprietate este mult redus.
În scenarii precum feroneria de construcție și echipamentele de tratare a apei, utilizarea oțelului inoxidabil sau a materialelor compozite de înaltă rezistență este de asemenea preferată datorită avantajului său de „întreținere zero”. Aceste materiale au performanțe excelente în ceea ce privește rezistența la oxidare, rezistența la coroziune și rezistența la oboseală și sunt potrivite pentru utilizare în medii dure. Nu necesită curățare, acoperire sau reparare regulată, economisind astfel o mulțime de costuri ulterioare.
Produsele cu durată lungă de viață înseamnă, de asemenea, reducerea pierderilor din timpul de nefuncționare și a investițiilor de întreținere a personalului, ceea ce este deosebit de critic pentru automatizarea industrială, sistemele nesupravegheate și echipamentele critice de susținere a vieții (cum ar fi dispozitivele medicale). Această strategie de „calitate în schimbul economiilor de întreținere” a devenit o cale-cheie pentru companiile de producție de ultimă generație pentru a construi reputația mărcii și lipiciitatea clienților.
Metodele tradiționale de prelucrare, cum ar fi strunjirea și frezarea CNC, necesită de obicei tăierea unei cantități mari de material în exces din întreaga bucată de material pentru a obține forma finală. Această metodă de „producție subtractivă” nu numai că risipește materiale și generează o cantitate mare de așchii, dar crește și costul eliminării deșeurilor și achiziționării de materii prime. Tehnologiile moderne de „producție în formă aproape netă” și de fabricație aditivă îmbunătățesc considerabil utilizarea materialelor și reduc risipa de resurse prin formarea cât mai aproape de dimensiunea produsului finit posibil.
De exemplu, în metalurgia pulberilor, turnarea prin injecție a metalelor (MIM) și procesele de turnare sub presiune de precizie, materiile prime sunt generate direct prin presarea matriței sau injectarea topiturii pentru a genera forma țintă și aproape că nu este nevoie să îndepărtați excesul de material în etapa ulterioară. Rata de utilizare a materialului din acest tip de proces poate ajunge, în general, la peste 90%, ceea ce este mult mai mare decât 30~50% din prelucrarea mecanică. În imprimarea 3D din metal, pulberea netopită poate fi reciclată pentru a îmbunătăți și mai mult eficiența utilizării resurselor.
Economisirea de materiale aduce nu numai reducerea costurilor, ci și o amprentă de carbon mai mică și un consum mai mic de energie. Reducerea deșeurilor de materiale și reducerea presiunii de topire și reciclare va ajuta industria de producție să atingă obiectivele de producție ecologică și să îndeplinească reglementările de mediu din ce în ce mai stricte și cerințele clienților de dezvoltare durabilă.
În contextul în care proiectarea ușoară devine o tendință din ce în ce mai populară, prin combinația dintre optimizarea topologică, integrarea funcțională și materialele de înaltă performanță, nu numai că se poate obține o structură mai puternică cu mai puțin material, dar și rentabilitatea pieselor poate fi îmbunătățită în continuare. Acest concept de design „mai puțin este mai mult” va deveni unul dintre competitivitatea de bază în viitorul domeniu de producție.
Wangshan Road, districtul Jiangbei, Ningbo, Zhejiang, China
86-135-64796935
Drepturi de autor © Ningbo NKT Tooling Co., Ltd. Toate drepturile rezervate.
