TL;DR

Vacuümgeassisteerd spuitgietontwerp richt zich op het creëren van componenten met behulp van een proces waarbij lucht en gas uit de matrijsholte worden verwijderd door middel van een vacuüm, voordat gesmolten metaal wordt ingespoten. Deze cruciale stap vermindert aanzienlijk de gasporositeit, waardoor onderdelen dichter, sterker en met een betere oppervlakteafwerking ontstaan. Een correct ontwerp, inclusief overwegingen voor wanddikte en matrijsafdichting, is essentieel om dit proces optimaal te benutten voor de productie van complexe, hoogwaardige en foutloze componenten.

Basisprincipes van vacuümgeassisteerd spuitgieten

Vacuümgeholpen spuitgieten, ook wel gasvrij spuitgieten genoemd, is een geavanceerd productieproces dat het traditionele spuitgieten onder hoge druk verbetert. De kernprincipe bestaat uit de systematische verwijdering van lucht en andere opgesloten gassen uit de matrijsholte en spuitbus voordat het gesmolten metaal wordt ingespoten. Door het creëren van een bijna vacuüm omgeving lost het proces één van de hardnekkigste problemen in conventioneel spuitgieten op: gasporositeit. Dit wordt bereikt door een krachtig vacuümsysteem aan te sluiten op de matrijs, waardoor de holte wordt leeggemaakt net voor en tijdens het inspuiten van de gesmolten legering.

Het fundamentele probleem dat deze technologie oplost, is het opsluiten van gas. In een standaard spuitgietproces kan de injectie van gesmolten metaal met hoge snelheid luchtpockets insluiten binnen de matrijs. Deze opgesloten gassen vormen holtes of poriën in het gestolde metaal, waardoor de structurele integriteit wordt aangetast. Volgens productie-experts bij Xometrie , deze porositeit kan leiden tot inconsistente mechanische eigenschappen en zwakke plekken. Het vacuümproces vermindert dit door de lucht te verwijderen die anders zou worden opgesloten, zodat het gesmolten metaal elk detail van de matrijs kan vullen zonder weerstand of turbulentie.

Vergeleken met conventioneel spuitgieten produceert de vacuüm-ondersteunde methode aantoonbaar onderdelen van hogere kwaliteit. Het onttrekken van lucht uit de matrijs voorkomt niet alleen het vormen van bellen, maar helpt ook effectiever om het gesmolten metaal in ingewikkelde en dunwandige delen van de matrijs te trekken. Dit resulteert in componenten die dichter, sterker zijn en een veel schonere oppervlakteafwerking hebben. Zoals opgemerkt door de North American Die Casting Association, is een vacuümsysteem weliswaar een krachtige aanvulling, maar vervangt het niet de noodzaak van goede spuitgietontwerp-praktijken bij het ontwerpen van geleiders, gaten en overstromingen. De combinatie van goed ontwerp en vacuüm-ondersteuning is wat de hoogste kwaliteitsniveau mogelijk maakt.

Kernvoordelen en kwaliteitsverbeteringen

Het belangrijkste voordeel van het gebruik van vacuüm in het spuitgietproces is de aanzienlijke verbetering van de kwaliteit en integriteit van het onderdeel. Door gasinsluiting te minimaliseren, ontstaan componenten met een sterk verlaagde porositeit. Dit leidt tot gietstukken die niet alleen dichter zijn, maar ook consistente en voorspelbare mechanische eigenschappen vertonen, zoals hogere treksterkte en rek. Deze betrouwbaarheid is cruciaal voor componenten die worden gebruikt in veeleisende toepassingen, waaronder de automobiel- en luchtvaartindustrie.

Een ander groot voordeel is de uitstekende oppervlakteafwerking. Gebreken zoals bultjes en gaatjes, vaak veroorzaakt door uitzettende ingesloten gassen nabij het oppervlak, worden vrijwel geheel vermeden. Dit resulteert in schonere oppervlakken direct uit de mal, waardoor de noodzaak voor kostbare en tijdrovende nabewerkingen sterk afneemt. Zoals beschreven door Kenwalt Die Casting , leidt deze reductie in gebreken tot minder afgewezen onderdelen, wat tijd, arbeid en materiaalkosten bespaart. Bovendien kan de uniforme vulling van de matrijs onder vacuüm de levensduur van de gereedschappen verlengen door de hoge interne druk en slijtage te verminderen die gepaard gaan met luchtopsluiting.

De kwaliteitsverbeteringen openen ook nieuwe productiemogelijkheden. Onderdelen die via vacuüm spuitgieten zijn geproduceerd, zijn geschikt voor nabehandelingen die vaak problematisch zijn voor conventioneel gegoten onderdelen. Aangezien er weinig of geen opgesloten gas is dat kan uitdijen en gebreken kan veroorzaken, kunnen deze componenten betrouwbaar worden warmbehandeld, gelast of gecoat. Deze mogelijkheid is essentieel voor structurele onderdelen die verhoogde sterkte of specifieke oppervlakte-eigenschappen vereisen.

Het vacuümgeassisteerde proces: een stapsgewijze uitleg

Hoewel het gebaseerd is op de traditionele spuitgietworkflow, bevat het vacuümgeassisteerde proces een cruciale extra fase. Het begrijpen van deze volgorde is essentieel om het effect op ontwerp en eindkwaliteit van het onderdeel te waarderen. Het proces volgt over het algemeen deze duidelijke stappen:

1. Malvoorbereiding en sluiten: De twee delen van de stalen matrijs worden eerst gereinigd, ingesmeerd met een ontkoppelmiddel en stevig gesloten. Een cruciaal ontwerpaspect is hierbij het waarborgen van effectieve afdichtingen van de matrijs om het vacuüm te behouden zodra dat is aangebracht. Elke lek zal het proces verstoren.
2. Vacuüm aanbrengen: Met de matrijs gesloten wordt een vacuümpomp met hoge capaciteit geactiveerd. Ventilen die zijn verbonden met de matrijsholte en het lopersysteem worden geopend, en de pomp onttrekt de lucht en eventuele gassen uit de smeermiddelen, waardoor er een onderdruk ontstaat binnen de vorm. Deze stap moet nauwkeurig getimed worden.
3. Injectie van gesmolten metaal: De gewenste metalen legering, gesmolten in een oven, wordt overgebracht naar de spuitkamer van de machine. Een zuiger onder hoge druk injecteert vervolgens het gesmolten metaal in de geëvacueerde matrijsholte. Het vacuüm helpt het metaal soepel de vorm in te trekken, zodat deze elke detail vult zonder turbulentie te veroorzaken.
4. Stolling en koeling: Zodra de matrijsholte is gevuld, begint het gesmolten metaal af te koelen en te stollen, waarbij het de vorm van de matrijs aanneemt. De matrijs is vaak uitgerust met interne koelkanalen om de stollingsnelheid te beheersen, wat cruciaal is voor het bereiken van de gewenste metallurgische eigenschappen.
5. Matrijs Openen en Onderdeel Uitwerpen: Nadat het gietstuk is gestold, wordt het vacuüm vrijgegeven en worden de twee delen van de matrijs geopend. Uitwerpstiften duwen het afgewerkte gietstuk vervolgens uit de matrijs. Het onderdeel is nu klaar voor eventuele secundaire bewerkingen zoals bijsnijden, machinaal bewerken of oppervlakteafwerking.

Deze volledige cyclus is uiterst snel en wordt vaak binnen enkele seconden tot een paar minuten voltooid, waardoor het zeer geschikt is voor productie in grote oplages. De integratie van het vacuümsysteem voegt complexiteit toe, maar is essentieel voor het bereiken van de superieure kwaliteit waar dit proces om bekendstaat.

Belangrijke ontwerpprincipes voor vacuümgietvormen

Een effectief vacuümgeassisteerd spuitgietontwerp gaat verder dan alleen het creëren van een vorm; het omvat het optimaliseren van de geometrie van het onderdeel om volledig te profiteren van de voordelen van het vacuüm. Hoewel veel principes overlappen met conventionele giettechnieken, zijn sommige bijzonder belangrijk. Om succesvol te zijn, is het van essentieel belang om zorgvuldig aandacht te besteden aan kenmerken zoals wanddikte en uitloophoeken.

Een van de grootste ontwerpwinsten is de mogelijkheid om onderdelen met dunner wanden te produceren. Omdat het vacuüm de tegen-druk van opgesloten lucht vermindert, kan gesmolten metaal stromen naar en dunne secties vullen die veel dunner zijn dan bij traditioneel spuitgieten. Een minimale wanddikte van 1 mm tot 1,5 mm is vaak haalbaar, hoewel dit afhankelijk is van de onderdeelgrootte en het materiaal. Het is cruciaal om waar mogelijk een uniforme wanddikte aan te houden om een gelijkmatige afkoeling te garanderen en gebreken zoals warpen of inkervingen te voorkomen. Wanneer variaties in dikte noodzakelijk zijn, moeten de overgangen geleidelijk zijn.

Andere belangrijke ontwerpnormen zijn essentieel voor zowel de kwaliteit van onderdelen als voor de fabricagebaarheid:

• Uittrekhelling: Een uittrekhelling, meestal minimaal 1 tot 2 graden, moet worden opgenomen in alle wanden die evenwijdig lopen aan de richting van het uittrekken van de mal. Deze lichte afschuining is cruciaal om het afgewerkte onderdeel zonder beschadiging of vervorming schoon uit de mal te kunnen verwijderen.
• Verstevigingsribben en verdikkingen: Om grote, vlakke oppervlakken sterker te maken zonder de algemene wanddikte te verhogen, moeten ontwerpers verstevigingsribben toepassen. De dikte van een rib dient over het algemeen minder dan 60% van de hoofdwanddikte te bedragen om insinkingen te voorkomen. Evenzo dienen verdikkingen (gebruikt voor bevestiging of uitlijning) dezelfde regels voor wanddikte te volgen.
• Afrondingen en straalvormen: Scherpe inwendige hoeken vormen een bron van spanningsconcentratie en kunnen de metalen stroming belemmeren. Ruime afrondingen en straalvormige overgangen dienen aan alle hoeken te worden toegevoegd om de constructieve sterkte van het onderdeel te verbeteren en een soepelere, gelijkmatigere stroming van gesmolten metaal te bevorderen.
• Afdichting van de mal: Vanuit het oogpunt van gereedschapsontwerp is het essentieel dat de mal volledig luchtdicht kan worden afgesloten. Dit vereist nauwkeurige bewerking van de maldelen en houdt vaak in dat O-ringen of andere afdichtingsmechanismen worden toegepast om verlies van vacuüm tijdens de cyclus te voorkomen.

Door deze principes te volgen, kunnen ontwerpers robuuste, lichtgewicht en complexe onderdelen creëren die optimaal gebruikmaken van het vacuüm-ondersteunde proces, wat leidt tot hogere opbrengsten en betere prestaties.

Veelgestelde Vragen

1. Wat is het belangrijkste verschil tussen vacuümgieten en traditioneel spuitgieten?

Het belangrijkste verschil is het gebruik van een vacuüm om lucht en gassen uit de malkamer te verwijderen voordat gesmolten metaal wordt ingespoten. Bij traditioneel spuitgieten wordt metaal in een met lucht gevulde mal geïnjecteerd, wat kan leiden tot insluiting van lucht en porositeit. Vacuümspuitgieten verwijdert deze lucht, waardoor dichtere, sterkere onderdelen ontstaan met minder gebreken en een betere oppervlakteafwerking.

2. Welke metalen zijn geschikt voor vacuüm-ondersteund spuitgieten?

Het proces wordt het meest gebruikt met non-ferrometalen die een gematigd smeltpunt hebben. Dit omvat een breed scala aan aluminiumlegeringen (zoals A380), magnesiumlegeringen (voor lichtgewicht constructieonderdelen) en zinklegeringen. Ferrometalen zoals staal en ijzer zijn over het algemeen niet geschikt vanwege hun hoge smelttemperatuur, die de spuitgietmatrijzen zou kunnen beschadigen.

3. Kan vacuüm spuitgieten alle porositeit elimineren?

Hoewel vacuüm spuitgieten gasporositeit aanzienlijk verlaagt tot bijna nul, elimineert het niet alle vormen van porositeit. Krimp-porositeit kan bijvoorbeeld nog steeds optreden door de volumevermindering van het metaal tijdens het afkoelen en stollen. Echter, een goede onderdeel- en matrijzontwerp, inclusief geoptimaliseerde gietpoorten en leidingsystemen, kan ook dit type porositeit verder beperken.