Как литье под давлением алюминиевого сплава повышает долговечность и производительность продукции

Введение

В сегодняшней все более конкурентной обрабатывающей промышленности компании предъявляют беспрецедентные требования к качеству, производительности и долговечности продукции. Особенно в высокотехнологичных отраслях, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, электроника и медицинское оборудование, продукты должны не только иметь отличные функциональные характеристики, но и поддерживать долгосрочную стабильную работу в различных суровых условиях. Руководствуясь этой тенденцией, литье под давлением из алюминиевого сплава становится предпочтительной технологией обработки металлов давлением для многих компаний благодаря уникальным свойствам материала и эффективному производственному процессу.

Что такое литье под давлением?

Литье под давлением — это процесс формовки металлов, при котором расплавленный металл в основном впрыскивается в предварительно изготовленную стальную форму (т. е. полость формы) под высоким давлением, а необходимые детали формируются после охлаждения и затвердевания. По сравнению с традиционным литьем в песчаные формы или ковкой, литье под давлением позволяет добиться более высокой точности размеров, более сложных геометрических форм и более гладкого качества поверхности, тем самым значительно сокращая последующие этапы обработки.

Технология литья под давлением широко используется в массовом производстве, особенно в области автомобильных деталей, корпусов электронных изделий, радиаторов и авиационных конструкционных деталей. Эта технология обладает характеристиками высокой эффективности, высокой последовательности и высокой точности и является одним из важных средств достижения крупномасштабного производства и контроля затрат.

Почему стоит выбрать алюминиевый сплав в качестве материала для литья под давлением?

Среди различных металлов, которые можно использовать для литья под давлением, алюминиевый сплав стал одним из самых популярных материалов благодаря своим превосходным характеристикам. Сам по себе алюминий — легкий металл, плотность которого составляет всего одну треть плотности стали, но его механические свойства можно значительно улучшить после легирования. Обычные алюминиевые сплавы, такие как A380, ADC12, А360 и т. д., не только обладают хорошими характеристиками литья, но также обладают отличной коррозионной стойкостью, теплопроводностью и структурной прочностью.

К преимуществам алюминиевого сплава при литье под давлением относятся:

Легкий вес: легкий вес, который помогает снизить общий вес продукта, особенно подходит для энергосбережения и снижения выбросов в автомобильной и авиационной областях.

Высокая прочность: Обладая хорошим пределом текучести и пластичностью, он подходит для деталей конструкций.

Хорошая теплопроводность: очень подходит для изготовления компонентов рассеивания тепла, таких как светодиодные лампы, корпуса блоков питания и т. д.

Сильная коррозионная стойкость: естественная оксидная пленка эффективно противостоит окислению, влажной среде и химической коррозии.

Простота обработки и обработки поверхности: удобен для последующей обработки поверхности, такой как анодирование, гальваника, напыление и т. д.

Благодаря вышеуказанным преимуществам отливки из алюминиевого сплава могут не только соответствовать прочностным и функциональным требованиям, но также достигать двойной цели: легкая конструкция и красивый внешний вид, что делает их играть все более важную роль в промышленном производстве.

Почему «производительность и долговечность продукта» так важны в современном производстве?

Благодаря совершенствованию мировых производственных стандартов и повышению ожиданий пользователей продукты должны не только хорошо работать при первоначальной эксплуатации, но и сохранять свою функциональность, безопасность и надежность в течение длительного использования. Особенно в следующих отраслях:

Автомобильная промышленность: детали должны быть устойчивы к высоким температурам, ударам и усталости, чтобы обеспечить безопасность вождения.

Аэрокосмическая промышленность: материалы должны иметь очень высокое соотношение прочности и веса и оставаться стабильными в экстремальных условиях.

Бытовая электроника: продукты обновляются быстро, но пользователи ожидают от них превосходной долговечности и текстуры при длительном использовании.

Промышленное оборудование. Стабильность ключевых компонентов напрямую влияет на эффективность работы и жизненный цикл всего оборудования.

Как улучшить характеристики и срок службы продукции без увеличения затрат, стало актуальным вопросом для компаний-производителей. Литье алюминиевых сплавов под давлением является одним из идеальных технологических решений для достижения этой цели.

Что такое литье под давлением алюминиевого сплава?

Основной процесс литья под давлением

Весь процесс литья под давлением обычно включает в себя следующие основные этапы:

Проектирование и изготовление пресс-форм: спроектируйте специальную форму для литья под давлением в соответствии со структурой продукта. Форма обычно изготавливается из высокопрочной легированной стали и выдерживает высокую температуру и высокое давление.

Плавка алюминиевого сплава: нагрейте материал алюминиевого сплава до температуры выше его точки плавления, чтобы образовался жидкий алюминиевый сплав. Общая температура плавления превышает 660 ℃ и незначительно варьируется в зависимости от различных компонентов сплава.

Впрыск расплавленного металла: расплавленный алюминиевый сплав впрыскивается в полость формы с высокой скоростью (обычно несколько метров в секунду) через машину для литья под давлением. Этот шаг необходимо выполнить за очень короткое время, обычно от нескольких миллисекунд до нескольких секунд.

Охлаждение и затвердевание: Жидкий алюминий быстро охлаждается и затвердевает в полости формы, придавая отливке желаемую форму. Быстрая скорость охлаждения способствует повышению плотности и прочности металлической конструкции.

Открытие формы и извлечение детали: после открытия формы отливка выбрасывается с помощью выталкивающего механизма, после чего выполняются операции последующей обработки, такие как удаление заусенцев и заусенцев.

Последующая обработка и тестирование: некоторые отливки требуют вторичной обработки, такой как сверление, нарезание резьбы, полировка, гальваническое покрытие и т. д., а также требуется проверка размера и внешнего вида, чтобы убедиться, что качество соответствует стандартам.

Процессы литья под давлением можно разделить на два типа: литье под давлением с холодной камерой и литье под давлением с горячей камерой. Среди них при литье под давлением алюминиевых сплавов в основном используется литье под давлением с холодной камерой, поскольку алюминий имеет высокую температуру плавления и легко разъедает материал камеры матрицы, что не подходит для методов с горячей камерой.

Распространенные виды алюминиевых сплавов

Существует много типов алюминиевых сплавов для литья под давлением, и разные марки имеют разные механические свойства, технологические свойства и коррозионную стойкость. Ниже приведены наиболее распространенные марки алюминиевых сплавов в нескольких отраслях:

А380 (или АЦП10)

Особенности: Это один из наиболее широко используемых алюминиевых сплавов для литья под давлением, обладающий хорошей текучестью, литейными свойствами и коррозионной стойкостью, высокой прочностью и жесткостью.

Применение: широко используется в автомобильных деталях, электрических корпусах, электронных продуктах, лампах, механических деталях и т. д.

A360

Особенности: Он обладает лучшей коррозионной стойкостью, высокими температурными характеристиками и лучшей текучестью, но производительность обработки немного уступает A380.

Применение: Подходит для мест с высокими требованиями к коррозионной стойкости, таких как наружное оборудование, морские детали и т. д.

ADC12 (эквивалент YL113 в Китае)

Особенности: Алюминиевый сплав, обычно используемый в японских стандартах, с хорошими характеристиками литья, термостойкостью, износостойкостью и производительностью обработки, а также высокой прочностью.

Применение: Обычно используется в продуктах среднего и высокого класса, таких как автомобильные детали, корпуса аудиосистем, электроинструменты и чехлы для мобильных телефонов.

Другие включают:

AlSi9Cu3 (EN AC-46000): широко используемый в Европе сплав для литья под давлением, обладающий хорошей текучестью и хорошими сварочными характеристиками;

AlSi12 (EN AC-44100): Используется для сложных тонкостенных изделий с хорошей пластичностью;

YL104, ZL101: широко используемые сплавы в Китае.

Почему стоит выбрать алюминий в качестве материала для литья под давлением?

Алюминиевые сплавы обладают незаменимыми преимуществами при литье под давлением, которые в основном выражаются в следующих аспектах:

Легкий вес (легкий)

Плотность алюминия составляет всего 2,7 г/см³, что составляет около трети плотности стали. В таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная и электронная промышленность, снижение общего веса продукции является ключом к снижению энергопотребления и повышению производительности, поэтому предпочтительным материалом стали алюминиевые сплавы. Например, в транспортных средствах на новых источниках энергии используется большое количество отлитых под давлением алюминиевых сплавов, чтобы уменьшить вес всего автомобиля и повысить его долговечность.

Высокая прочность и хорошие механические свойства.

Современные алюминиевые сплавы не только обладают высокой удельной прочностью (соотношением прочность/плотность), но также обладают хорошей ударной вязкостью и усталостной стойкостью. После термообработки и оптимизации обработки его прочность достаточна для удовлетворения требований использования большинства деталей конструкции. Он особенно подходит для деталей, которые должны выдерживать определенные механические нагрузки, например, корпуса двигателя, кронштейны, механические соединители и т. д.

Отличная коррозионная стойкость

Алюминий быстро образует на воздухе плотную защитную пленку из оксида алюминия, предотвращающую дальнейшее окисление внутри. Алюминиевые сплавы обладают хорошей атмосферостойкостью, стойкостью к окислению и коррозии. Они также могут сохранять длительный срок службы во влажных, кислотных дождях и других средах и подходят для использования на открытом воздухе или в морской среде.

Хорошая технологичность и теплопроводность.

Отливки из алюминиевого сплава под давлением после охлаждения можно легко обрабатывать, например, точить, сверлить, нарезать резьбу и т. д., при этом во время обработки не образуются вредные газы. В то же время алюминий обладает хорошей теплопроводностью и электропроводностью, что позволяет использовать его в корпусах электронных изделий, радиаторах и т. д.

Хороший внешний вид и декоративность.

Качество поверхности деталей из литых под давлением алюминиевых сплавов высокое, их легко подвергать такой обработке поверхности, как гальваника, напыление и анодирование, и из них можно создавать яркие, красивые и декоративные детали. В корпусах бытовой электроники 3C (например, мобильных телефонов и ноутбуков) изделия из алюминия, отлитые под давлением, учитывают как структуру, так и эстетику, и поэтому пользуются большим предпочтением.

Повышение долговечности продукции с помощью литья под давлением алюминиевых сплавов

Высокое соотношение прочности и веса

Одним из самых больших конструкционных преимуществ отливок из алюминиевых сплавов является их высокое соотношение прочности и веса. То есть, хотя алюминиевые сплавы имеют низкую плотность и легкий вес, они могут иметь очень хорошие механические свойства после разумного проектирования легирования и процесса литья под давлением:

Низкая плотность: плотность алюминия составляет около 2,7 г/см³, что составляет лишь около 1/3 плотности стали. Это делает отливки легкими, что способствует снижению нагрузки на оборудование или всю машину.

Высокая прочность: после литья под давлением такие сплавы, как A380 и ADC12, могут достигать прочности на разрыв более 300 МПа, что достаточно для удовлетворения потребностей большинства средних нагрузок и конструкционных применений.

Высокая жесткость и усталостная прочность: алюминиевые сплавы обладают хорошей усталостной стойкостью при динамических нагрузках и очень подходят для изготовления таких деталей, как корпуса двигателей, кронштейны, разъемы, рамы и т. д.

Это идеальное соотношение между прочностью и весом делает отливки из алюминиевого сплава прочными и долговечными и не создает дополнительной нагрузки на систему, тем самым продлевая общий срок службы оборудования, что особенно подходит для автомобильной, авиационной, робототехники, наружного оборудования и других областей.

Отличная тепловая и электрическая проводимость

Алюминиевые сплавы также обладают естественными преимуществами в области тепло- и электропроводности, что особенно важно в высокотемпературном, термическом цикле или электронном оборудовании:

Теплопроводность:

Теплопроводность алюминиевых сплавов обычно составляет 130-180 Вт/м·К (в зависимости от типа сплава), что значительно выше, чем у железа, стали и других материалов.

Эта особенность позволяет литому алюминию быстро рассеивать тепло, избегать перегрева оборудования и повышать долговечность компонентов в жарких условиях.

Он используется в системах охлаждения двигателя, основаниях охлаждения светодиодов, охлаждающих корпусах мобильных телефонов, корпусах инверторов и других областях и работает хорошо.

Электропроводность:

Хотя электропроводность алюминиевых сплавов ниже, чем у чистой меди, она все же намного выше, чем у большинства конструкционных материалов, и хорошо работает в компонентах, требующих проводимости (таких как корпуса двигателей и распределительные коробки).

В то же время алюминиевые сплавы имеют небольшой вес и идеально подходят для изготовления крупногабаритных и легких электротехнических корпусов или экранирующих деталей.

Улучшенная тепловая и электропроводность не только делает работу продукта более стабильной, но также уменьшает повреждения, вызванные перегревом, термической усталостью, чрезмерным сопротивлением и т. д., тем самым повышая общую долговечность.

Отличная коррозионная стойкость and environmental adaptability (Resistance to Corrosion and Environmental Damage)

Отливки из алюминиевых сплавов обладают превосходной коррозионной стойкостью, что является ключом к их длительному использованию в уличном оборудовании, автомобильных деталях, морских деталях и других сферах:

Алюминий быстро реагирует с кислородом воздуха, образуя плотную защитную пленку из оксида алюминия (Al₂O₃), которая обладает чрезвычайно высокой стабильностью и может эффективно предотвращать дальнейшее окисление.

Алюминиевые сплавы могут сохранять хорошую поверхность и структурную целостность даже в суровых климатических условиях, таких как влажность, высокое содержание соли и кислотные дожди.

Нелегко ржаветь и противостоять УФ-старению, что может уменьшить шелушение поверхности, растрескивание, коррозионную перфорацию и другие проблемы, вызванные факторами окружающей среды.

Обработка поверхности (например, анодирование, электрофоретическое покрытие, порошковое напыление, покраска и т. д.) может еще больше повысить защитную способность и продлить срок службы.

Такая хорошая адаптация к окружающей среде означает, что продукт может сохранять свои характеристики и внешний вид в течение длительного времени при воздействии на открытом воздухе, в промышленных условиях или в сильно загрязненных зонах, что снижает затраты на техническое обслуживание.

Превосходная однородность и стабильность размеров

Еще одним основным преимуществом литья под давлением алюминиевых сплавов является то, что с его помощью можно производить детали с однородной структурой и точными размерами, что гарантирует долгосрочную стабильность и надежность продукта из источника.

Точное изготовление пресс-форм:

Пресс-форма для литья под давлением изготовлена из высокопрочной стали с высокой точностью полости, что позволяет производить массовое производство деталей с высокой повторяемостью, обеспечивая единообразие деталей.

На полностью автоматической производственной линии литья под давлением погрешность размеров можно контролировать в пределах ±0,05 мм или даже меньше.

Термическая обработка и стабильность старения:

Разумная формула сплава и процесс термообработки (например, обработка раствором и обработка старением) могут улучшить плотность организации, уменьшить внутреннее напряжение и улучшить стабильность размеров материала.

Даже в условиях длительного использования или резких перепадов температуры отливку нелегко деформировать.

Однородная структура материала:

Впрыск под высоким давлением и быстрое охлаждение делают отливки из алюминиевого сплава под давлением более плотной зернистой структурой, меньшим количеством пор и усадки, тем самым улучшая однородность прочности и общие характеристики.

Хорошая структурная согласованность не только повышает эффективность сборки и стабильность работы изделия, но и значительно снижает затраты на обслуживание и замену, продлевая срок службы всего оборудования на системном уровне.

Повышение производительности критически важных приложений

Автомобильная промышленность: блок цилиндров и корпус трансмиссии

В автомобильной промышленности блок двигателя и картер коробки передач являются двумя важными компонентами, которые подвергаются высоким механическим и термическим нагрузкам. Продвигая политику энергосбережения и сокращения выбросов, автопроизводители уделяют все больше внимания легкости и высокой эффективности энергосистемы и поэтому выдвигают более высокие требования к производительности для этих ключевых компонентов.

Блок двигателя – это основная зона сгорания и движения в двигателе внутреннего сгорания. Он должен выдерживать высокую температуру и высокое давление, создаваемые взрывом сгорания, а также трение и удары, вызванные высокоскоростным возвратно-поступательным движением поршня. Следовательно, он должен обладать превосходной жаропрочностью, теплопроводностью и износостойкостью. Хотя традиционные чугунные материалы обладают высокой прочностью, они тяжелы и не подходят для облегчения конструкции. В последние годы предпочтительным материалом стали алюминиевые сплавы, особенно алюминиево-кремниевые сплавы с высоким содержанием кремния. Они не только обладают хорошей прочностью и теплопроводностью, но также легко подвергаются литью под давлением, придавая им сложные формы, улучшают структурную интеграцию и снижают затраты на обработку. Кроме того, усиление стенки цилиндра с помощью технологии плазменного покрытия или термического напыления также может эффективно повысить износостойкость и срок службы.

Корпус коробки передач отвечает за размещение таких ключевых компонентов, как комплекты шестерен, опорные подшипники и системы смазки. Он должен не только сохранять точную размерную стабильность и обеспечивать точность зацепления зубчатых колес, но также обладать хорошей ударопрочностью и способностью снижать шум. Большими преимуществами в этом отношении обладают легкие и высокопрочные алюминиевые и магниевые сплавы. На фоне стремительного развития электромобилей снижение веса стало приоритетом проектирования. Кроме того, передовые технологии литья под давлением (такие как вакуумное литье под давлением и литье под высоким давлением) могут улучшить плотность и качество поверхности, обеспечивая при этом прочность, снижая риск утечек и концентрации напряжений. В некоторых моделях высокого класса даже начали использовать композитные материалы из углеродного волокна для изготовления корпусов коробок передач, чтобы еще больше оптимизировать силовые характеристики автомобиля.

В автомобилестроении использование высокопроизводительных материалов и технологий прецизионного литья может не только улучшить комплексные характеристики двигателя и коробки передач, но также значительно улучшить топливную экономичность, отзывчивость и срок службы автомобиля, а также способствовать движению автомобильной промышленности в экологически чистом и эффективном направлении.

Аэрокосмическая промышленность: легкий вес и прочность конструкции.

Аэрокосмическая промышленность предъявляет чрезвычайно высокие требования к характеристикам конструкционных материалов, особенно в высокотехнологичном оборудовании, таком как самолеты, двигатели и спутниковые платформы. Необходимо не только достичь цели по легкости, но также обеспечить структурную прочность, термостойкость и усталостную прочность в экстремальных условиях. Улучшение комплексных характеристик этих ключевых компонентов напрямую связано с эффективностью полета, безопасностью и оптимизацией дальности полета и нагрузки.

Основные конструктивные элементы самолета, такие как фюзеляж и крылья, в течение длительного времени подвергаются воздействию большой высоты, низких температур и высоких нагрузок. Для снижения веса всей машины и сохранения жесткости конструкции необходимо использовать материалы с высокой удельной прочностью и низкой плотностью. Алюминий-литиевый сплав является одним из важных материалов для изготовления фюзеляжа крупных гражданских самолетов и военно-транспортных самолетов благодаря своей превосходной удельной прочности и удельной жесткости. По сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами алюминиево-литиевый сплав имеет меньшую плотность, более высокий модуль упругости и хорошую усталостную прочность. Кроме того, титановые сплавы обладают выдающимися характеристиками стойкости к высокотемпературному окислению и коррозии и широко используются в лопатках компрессоров, соединительных деталях и конструкциях обшивки авиационных двигателей, особенно в сверхзвуковых истребителях и истребителях с высокой тяговооруженностью.

При проектировании космических кораблей облегчение является одной из приоритетных задач. Композитные материалы, армированные углеродным волокном (CFRP), сыграли важную роль в кронштейнах спутников, конструкциях солнечных панелей, ракетных отсеках и других местах благодаря своей превосходной удельной прочности, термостойкости и формуемости. Благодаря анализу методом конечных элементов и оптимизации топологии можно дополнительно разумно распределить путь нагрузки, свести к минимуму структурную избыточность и повысить эффективность использования материала.

Аэрокосмическим конструкциям также приходится иметь дело с деградацией материалов, вызванной долгопериодной вибрацией, высокочастотной усталостью и термическими циклами. С этой целью на этапах производства и технического обслуживания широко используются передовые модели анализа усталости и технологии неразрушающего контроля, чтобы гарантировать, что компоненты сохраняют высокую надежность в течение всего срока службы. В будущем, с развитием новых композитных материалов на основе металлов и технологий аддитивного производства (3D-печати), характеристики аэрокосмических компонентов еще больше преодолеют традиционные ограничения и позволят достичь более эффективных и безопасных возможностей выполнения полетных задач.

Электроника: Радиатор и корпусная система

В современных электронных устройствах быстрый рост удельной мощности привел к значительному увеличению выделения тепла, особенно в серверах, базовых станциях связи, оборудовании 5G, высокопроизводительных компьютерах и электронных системах управления транспортными средствами на новой энергии. Управление отводом тепла стало ключевым фактором обеспечения стабильной работы системы и продления ее срока службы. В то же время электронные продукты также выдвигают многочисленные требования к материалам корпуса, которые сочетают в себе структурную прочность, электромагнитное экранирование и функции терморегулирования.

Конструкция радиатора напрямую влияет на контроль температуры чипа или силового элемента. В настоящее время широко используемые материалы включают алюминий и медь высокой чистоты, среди которых медь обладает лучшей теплопроводностью, но алюминий имеет больше преимуществ по весу и стоимости. Чтобы повысить эффективность рассеивания тепла, обычно используются конструкции ребристого типа, типа тепловых трубок или конструкции жидкостного охлаждения, чтобы максимизировать площадь теплообмена и оптимизировать путь теплопроводности. Усовершенствованные термоинтерфейсные материалы (TIM), такие как теплопроводящий силикон, материалы с фазовым переходом, графитовые листы и т. д., также широко используются между чипами и радиаторами для снижения контактного теплового сопротивления и повышения эффективности теплопередачи.

Корпус электронного оборудования не только играет роль физической защиты, но также должен выполнять множество задач, таких как защита от электромагнитных помех, рассеивание тепла и структурная поддержка. Обычные материалы корпуса включают алюминиевый сплав, нержавеющую сталь и конструкционные пластики (например, композитные материалы PC ABS). Среди них алюминиевый сплав широко используется в ноутбуках, маршрутизаторах, модулях питания и другом оборудовании благодаря своей превосходной теплопроводности, электромагнитному экранированию и хорошей технологичности. Коррозионную стойкость и декоративный эффект корпуса можно дополнительно повысить за счет анодирования, напыления или проводящего покрытия.

Что касается проектирования структуры продукта, тенденции модульного, тонкостенного и интегрированного проектирования становятся все более очевидными, направленными на улучшение использования пространства и облегчение быстрой сборки. В то же время совместная разработка теплоотвода и структуры становится все более важной. Например, в высокопроизводительных графических процессорах или радиочастотных модулях 5G конструкция интегрированного корпуса для отвода тепла может эффективно снизить накопление тепла и повысить общую прочность системы. Для электрического блока управления или системы управления аккумулятором (BMS) транспортных средств на новых источниках энергии корпус также должен учитывать противопожарные, гидроизоляционные, противоударные и другие функции, а также обеспечивать стабильную работу в суровых условиях.

Управление температурным режимом и структурное проектирование электронного оборудования являются ключом к улучшению производительности всей машины. Благодаря оптимизации выбора материалов, структурным инновациям и совершенствованию производственного процесса можно эффективно повысить надежность оборудования, продлить срок его службы и удовлетворить потребности все более сложных сценариев применения.

Медицина и промышленность: производство высокоточных компонентов

В области медицинской и промышленной автоматизации к оборудованию предъявляются чрезвычайно строгие требования к точности, надежности и безопасности материалов ключевых компонентов. Эти сценарии применения часто включают особые условия, такие как малый размер, высокочастотная работа и экстремальные рабочие условия. Поэтому используемые высокоточные компоненты должны быть тщательно обработаны и выбраны материалы с высокими эксплуатационными характеристиками, чтобы обеспечить отличную производительность на протяжении всего жизненного цикла.

Что касается медицинских устройств, высокоточные компоненты широко используются в эндоскопах, хирургических роботах, стоматологических инструментах, имплантатах (таких как тазобедренные суставы, костные винты) и других продуктах. Эти компоненты должны отвечать двум основным требованиям: чрезвычайно высокая размерная и геометрическая точность и биосовместимость с организмом человека. Обычно используемые материалы включают полимерные материалы, такие как нержавеющая сталь (например, 316L), титановый сплав (например, Ti-6Al-4V) и PEEK, которые не только обладают хорошими механическими свойствами, но также могут находиться в длительном контакте с тканями человека, не вызывая отторжения или воспалительных реакций. С точки зрения технологии производства, использование прецизионных средств, таких как пятиосная обработка с ЧПУ, электроискровая обработка и лазерная резка, может обеспечить контроль размеров на микронном уровне; в то же время с помощью полировки, электролитической полировки и обработки поверхности можно улучшить качество поверхности и устойчивость к коррозии, а также снизить вероятность прикрепления бактерий.

В промышленной автоматизации и производстве оборудования также крайне важны высокоточные детали. Например, прецизионные шестерни, направляющие, шпиндельные узлы, используемые в высокоскоростных станках, концевых эффекторах роботов и оптическом измерительном оборудовании, точность их работы напрямую определяет повторяемость и качество обработки всей системы. Эти компоненты в основном изготавливаются из инструментальной стали, быстрорежущей стали или твердого сплава, а твердость и износостойкость улучшаются за счет процессов термообработки (таких как цементация и закалка, индукционный нагрев и т. д.). В некоторых отраслях, которые чрезвычайно чувствительны к контролю качества, таких как производство полупроводников и проверка авиационных деталей, также используются немагнитные сплавы или керамические материалы для удовлетворения особых требований к физическим характеристикам.

С развитием Индустрии 4.0 и интеллектуального производства аддитивное производство (3D-печать), цифровые двойники и технологии онлайн-контроля постепенно применяются в процессе производства высокоточных компонентов, что не только расширяет свободу проектирования, но и обеспечивает более эффективное отслеживание качества и управление жизненным циклом. В то же время интеграция таких технологий, как автоматизация сборки, моделирование процессов и многоосное совместное управление, сделала роль высокоточных компонентов в медицинских и промышленных приложениях все более важной, поддерживая быстрое развитие всей отрасли в направлении высокой надежности, низких затрат на техническое обслуживание и высокой производительности.

Гибкость дизайна и сложная геометрия

Возможность изготовления сложных форм и строгий контроль допусков.

Традиционные методы обработки, такие как точение, фрезерование и сверление, очень эффективны для деталей правильной формы и простых контуров, но часто сложны в изготовлении, являются дорогостоящими или даже невозможными при работе со сложными структурами, такими как нелинейные поверхности, полые структуры, каналы с несколькими полостями или чрезвычайно маленькие сборочные площади. Современные процессы прецизионного формования (такие как литье по выплавляемым моделям, микролитье под давлением, формование порошковой металлургии и т. д.) и аддитивное производство (например, лазерное селективное плавление SLM, электронно-лучевое плавление EBM, стереолитография SLA и т. д.) могут легко справиться с производственными задачами таких сложных структур.

Например, при проектировании сопел или каналов охлаждения авиационных двигателей часто приходится встраивать внутрь извилистые конструкции каналов охлаждения. Если такие геометрические фигуры обрабатываются с использованием традиционных процессов, их не только трудно обрабатывать, но они также могут повлиять на консистенцию деталей. С помощью технологии 3D-печати металлом дизайнеры могут напрямую интегрировать эти сложные структуры в модель детали и формировать их за один раз в процессе печати без необходимости дополнительных этапов обработки, тем самым значительно улучшая свободу проектирования и геометрическую сложность. В то же время точность можно контролировать в пределах ±0,01 мм, что полностью отвечает потребностям сценариев высокоточного применения, таких как авиация, медицина и микроэлектроника.

Комбинация автоматизированного производства (CAM) и пятиосной обработки с ЧПУ также улучшила возможности обработки сложных геометрических деталей. Благодаря точному планированию траектории и адаптивному управлению инструментом можно выполнять высокоточную обработку детализированных структур, таких как фаски, криволинейные поверхности и фаски, эффективно контролируя размерные допуски и шероховатость поверхности. Эта возможность делает реальностью функциональную интеграцию и структурную оптимизацию проектирования, а также способствует развитию производства в направлении высокой сложности и высокой производительности.

Комплексная конструкция из нескольких частей для повышения эффективности и прочности конструкции.

Благодаря передовым методам производства конструкторы могут интегрировать функции, которые традиционно требуют сборки нескольких деталей, в единую конструкцию, тем самым упрощая компоненты, уменьшая вес и повышая прочность. Этот функциональный интегрированный дизайн является основным средством «проектирования снижения веса», «структурной оптимизации» и «повышения эффективности сборки», особенно в аэрокосмической, автомобильной, медицинской технике и других областях.

Например, в аэрокосмической промышленности традиционные компоненты шасси или кронштейны двигателя могут собираться из десятков или даже сотен деталей. Мало того, что процесс сборки сложен, в местах соединений также могут возникнуть концентрация напряжений, структурная слабость или риск коррозии. Аддитивное производство или комплексное литье позволяют объединить несколько функциональных структур в единый компонент, значительно сокращая сборочные соединения, улучшая механические свойства и устраняя дефекты соединений, такие как винты и сварные швы.

В медицинской промышленности сложные хирургические инструменты, ортопедические имплантаты, такие как устройства для межпозвонкового спондилодеза, искусственные суставы и т. д., также могут иметь интегрированный структурный дизайн за счет функциональной интеграции, чтобы снизить риск неудачи и постимплантационных осложнений. Интегрированный дизайн может значительно уменьшить размерные отклонения, ошибки формы и положения, а также проблемы соответствия, вызванные стыковкой деталей, существенно улучшая стабильность продукта и стабильность качества.

Такая интеграция компонентов не только обеспечивает оптимизацию на структурном уровне, но также облегчает последующее обслуживание, модернизацию и восстановление, сокращая затраты на производство и управление продуктом на протяжении всего его жизненного цикла.

Сократите потребность в процессах механической обработки и последующей обработки и сэкономьте производственные затраты.

В традиционном производстве сложные конструкции часто требуют одновременного выполнения нескольких процессов и нескольких устройств, таких как черновая механическая обработка, чистовая обработка, штамповка, нарезание резьбы, сварка, клепка, напыление и т. д. Каждый дополнительный процесс не только увеличивает затраты, но также увеличивает вероятность ошибок и вариаций процесса. Однако благодаря высокоинтегрированному проектированию в сочетании с передовыми производственными процессами последующая механическая обработка и обработка поверхности могут быть значительно сокращены.

Если взять в качестве примера литье под высоким давлением алюминиевого сплава, то современная технология литья под давлением позволяет добиться единовременного формования сложной геометрии и тонкостенных конструкций, при этом после механической обработки не требуется никакой или очень незначительной постобработки. Например, при 3D-печати металлом детали с внутренней резьбой, сетчатыми структурами и функциональными градиентными материалами можно формовать напрямую без дополнительной штамповки, токарной обработки или сборки, что значительно сокращает производственный цикл. В то же время коэффициент использования сырья также был улучшен: коэффициент использования материала при традиционных методах резки обычно составляет всего 30–50%, в то время как технология аддитивного производства может достигать более 90%, что значительно снижает количество отходов.

Кроме того, сокращение этапов обработки также может помочь улучшить стабильность продукта и уровень выхода продукции. Каждое преобразование процесса может привести к накоплению ошибок и колебаниям качества. Интегрированное производство сокращает производственную цепочку и снижает вмешательство человека, что способствует крупномасштабному высококачественному производству.

С промышленной точки зрения сокращение процессов обработки и постобработки не только помогает снизить прямые производственные затраты, но также снижает потребление энергии, снижает инвестиции в оборудование и его техническое обслуживание, а также сокращает циклы доставки продукции. Это важное проявление зеленого производства и устойчивого развития.

Поддержка проектирования структурной оптимизации и оптимизации топологии для максимизации производительности.

Гибкость структурного проектирования также отражается на практическом применении оптимизации топологии. Оптимизация топологии — это метод проектирования, который использует математическое моделирование для поиска оптимального метода распределения материала при заданных граничных условиях, нагрузках и ограничениях материала. Это часто приводит к созданию нетрадиционных структур произвольной формы, которые чрезвычайно сложно получить с помощью традиционной обработки, но которые можно эффективно изготовить с помощью 3D-печати или процессов точного литья.

Например, несущая конструкция внутри самолета, структура соединения руки робота, компоненты типа бионического скелета и т. д., оптимизация топологии может значительно снизить вес на 20–50%, сохраняя или даже улучшая исходные механические свойства. Эту оптимизацию также можно комбинировать с анализом моделирования многофизических полей (таких как поле тепловых напряжений, поле вибрации) для достижения многоцелевого проектирования термомеханической муфты, антивибрации и снижения веса.

Более того, будучи усовершенствованной формой оптимизации топологии, генеративное проектирование позволяет быстро генерировать десятки или даже сотни схем структурного проектирования в сочетании с алгоритмами искусственного интеллекта и быстро отбирать лучшие результаты посредством моделирования. Эти формы часто трудно получить с помощью традиционных процессов, но их можно напрямую преобразовать в физические продукты с помощью передовых технологий, таких как печать металлом и микролитье, так что концепции дизайна и производственные возможности могут быть по-настоящему унифицированы.

Экономическая эффективность без ущерба для качества

Снижение производственных затрат при больших объемах

При расширении масштабов производства себестоимость единицы продукции значительно снижается, что является одним из наиболее основных и эффективных способов снижения затрат в обрабатывающей промышленности. Этот эффект особенно заметен в производственных технологиях с высокой степенью автоматизации и инвестициями в фиксированные формы, таких как литье под высоким давлением, литье под давлением, порошковая металлургия и прецизионное литье. После завершения разработки пресс-формы эти процессы можно запускать непрерывно, партиями, чтобы быстро воспроизводить сложные детали, тем самым сокращая первоначальные инвестиции и значительно снижая стоимость производства каждой детали.

Например, в автомобильной промышленности такие детали, как корпуса коробок передач или кронштейны двигателя, часто производятся серийно с использованием высокого давления. литье под давлением из алюминиевого сплава процессы. Хотя первоначальные инвестиции в разработку пресс-форм и оборудование высоки, в рамках производственного цикла, состоящего из десятков или даже сотен тысяч деталей, предельные затраты на каждый продукт могут быть снижены до менее чем 1/5 стоимости традиционных обработанных деталей. В то же время применение полностью автоматизированного литья под давлением и интеллектуальных систем обнаружения снижает потребность в рабочей силе и вероятность ошибок, что еще больше повышает эффективность производства.

Продвижение стандартизированной и модульной конструкции также помогает повысить степень серийного производства. Совместное структурное проектирование деталей для нескольких продуктовых платформ позволяет не только расширить масштаб производства одной детали, но также сократить типы пресс-форм, затраты на складские запасы и последующие инвестиции в техническое обслуживание.

Эта эффективная стратегия пакетирования особенно подходит для отраслей с высоким спросом, таких как бытовая электроника, бытовая техника, транспортное оборудование и медицинское оборудование. Это не только обеспечивает согласованность и надежность деталей, но также обеспечивает хороший контроль затрат.

Длительный срок службы продукта, высокая надежность и снижение затрат на последующее обслуживание и замену (более длительный срок службы означает сокращение затрат на техническое обслуживание)

Высокие показатели затрат не только означают экономическое преимущество на этапе производства, но также отражают оптимизацию затрат в течение жизненного цикла продукта. За счет выбора высокопроизводительных материалов, оптимизации конструкции конструкции и точности изготовления значительно сокращаются частота технического обслуживания, частота отказов и цикл замены продукта во время обслуживания, что позволяет пользователям снизить общие затраты на использование.

Например, в области машиностроения, железнодорожного транспорта, энергетического оборудования и т. д. некоторые ключевые узлы (такие как гидроцилиндры, корпуса клапанов, износостойкие втулки и т. д.) подвергаются длительной работе с высокими нагрузками. Если используются обычные материалы и методы обработки, может возникнуть преждевременный износ или структурная усталость, что приведет к простою технического обслуживания или даже замене всей машины. Использование коррозионностойких и износостойких легирующих материалов (таких как сплавы на основе никеля, инструментальные стали и титановые сплавы) в сочетании с термообработкой и упрочнением поверхности (например, цементацией, азотированием и PVD-покрытием) позволяет значительно увеличить срок службы деталей. Хотя первоначальная цена за единицу может быть немного выше, в течение срока службы нет необходимости в частой замене и обслуживании, а общая стоимость владения значительно снижается.

В таких сценариях, как строительное оборудование и оборудование для очистки воды, использование нержавеющей стали или высокопрочных композитных материалов также является предпочтительным из-за ее преимущества «нулевого обслуживания». Эти материалы обладают превосходными характеристиками стойкости к окислению, коррозии и усталостной прочности и подходят для использования в суровых условиях. Они не требуют регулярной чистки, нанесения покрытия или ремонта, что позволяет сэкономить много последующих затрат.

Продукты с длительным сроком службы также означают сокращение потерь из-за простоев и инвестиций в обслуживание персонала, что особенно важно для промышленной автоматизации, автоматических систем и критического оборудования жизнеобеспечения (например, медицинского оборудования). Эта стратегия «качество в обмен на экономию на обслуживании» стала для ведущих производственных компаний ключевым путем создания репутации бренда и привлечения клиентов.

Высокий уровень использования материала, снижение отходов и нагрузки на окружающую среду (меньше отходов материала по сравнению с другими процессами)

Традиционные методы обработки, такие как токарная и фрезерная обработка с ЧПУ, обычно требуют вырезания большого количества лишнего материала из целого куска материала для получения окончательной формы. Этот метод «субтрактивного производства» не только приводит к перерасходу материалов и образованию большого количества стружки, но также увеличивает затраты на утилизацию отходов и закупку сырья. Современные технологии «производства почти готовой формы» и технологии аддитивного производства значительно улучшают использование материалов и сокращают отходы ресурсов за счет формования, максимально приближенного к размеру готового продукта.

Например, в порошковой металлургии, литье металлов под давлением (MIM) и процессах прецизионного литья под давлением сырье создается непосредственно путем прессования в форме или впрыска расплава для создания заданной формы, и на более позднем этапе практически нет необходимости удалять лишний материал. Коэффициент использования материала в этом типе процесса обычно может достигать более 90%, что намного выше, чем 30–50% при механической обработке. При 3D-печати металлом нерасплавленный порошок можно перерабатывать для дальнейшего повышения эффективности использования ресурсов.

Экономия материалов приводит не только к снижению затрат, но также к уменьшению выбросов углекислого газа и снижению энергопотребления. Сокращение отходов материалов и снижение давления при плавке и переработке помогут обрабатывающей промышленности достичь целей экологически чистого производства и соответствовать все более строгим экологическим нормам и требованиям устойчивого развития клиентов.

В контексте того, что легкий дизайн становится все более популярной тенденцией, благодаря сочетанию топологической оптимизации, функциональной интеграции и высокопроизводительных материалов можно не только получить более прочную конструкцию с меньшим количеством материала, но и еще больше повысить экономическую эффективность деталей. Эта концепция дизайна «меньше значит больше» станет одним из основных конкурентных преимуществ в будущей производственной сфере.