Автомобильная промышленность уже несколько лет переживает значительную трансформацию, характеризующуюся, в частности, переходом к новым типам силовых агрегатов. Одновременно с этим растет спрос на снижение веса автомобилей, что привело к существенному увеличению использования алюминиевых отливок в конструкции кузова. Благодаря этому стремительному развитию появляются все более сложные и крупные структурные компоненты, собранные с использованием функционально интегрированных отливок.
Технология, известная как MEGA или GIGA-литье, позволяет производить чрезвычайно крупные детали методом литья под высоким давлением.
Рисунок 1: 3D-модель
Этот высокопроизводительный процесс изготовления структурных компонентов утвердился в последние годы и стал интересной альтернативой традиционному методу штамповки кузовов из листовой стали. Тем не менее, он также сопряжен со значительными трудностями: высокими инвестиционными затратами, длительным временем наладки оборудования и высоким износом пресс-форм, также присутствуют конструктивные ограничения изделий, и проблемы с их последующим ремонтом в процессе эксплуатации и, соответственно, страхованием автомобилей.
Литье в песчаные формы предлагает альтернативный, эффективный и технологически выгодный процесс. Особенно для среднесерийного производства этот метод обладает существенными преимуществами.
Совместный проект специалиста в области химии для литейного производства Хюттенес-Альбертус (HA Group) и компании Laempe — эксперта в области машинного оборудования для изготовления стержней — показывает, что в этом процессе также возможны новые подходы и свежие идеи.
Рисунок 2: Отливка
Исследование крупногабаритного (MEGA) литья в песчаные формы.
В рамках инновационного исследования два лидера рынка совместно со специалистом по цифровому анализу затрат изучают потенциал литья в песчаные формы для производства кузовных деталей.
Исследование включает концепцию изготовления задней рамы автомобиля премиум-класса с использованием процесса литья под низким давлением с применением стержневого пакета [Рис. 1, 2].
Также проводится экономическое и экологическое сравнение с литьем под высоким давлением. Результаты показывают, что литье в песчаные формы может быть полноценной альтернативой литью под давлением, особенно при увеличении сложности конструкции, гибкости интеграции функциональных элементов и размеров компонентов.
Рисунок 3: Комплект стержневого пакета
Изготовление форм с применением пескострельных стержневых автоматов
Формы изготавливаются методом сборки стержней изготовленных традиционными пескострельными машинами, при необходимости — также с помощью 3D-печати. В качестве стандартного формовочного материала обычно используется кварцевый песок. Применение специальных формовочных материалов и связующих систем для достижения определенных свойств отливок легко реализуемо. Метод пескострельного изготовления стержней обеспечивает высокую размерную точность и стабильное качество литья.
Кроме того, технология позволяет использовать стержни для воспроизводства поднутрений и внутренних полостей любой необходимой геометрии [Рис. 3].
На литейных предприятиях сборка форм и стержней осуществляется автоматически с помощью роботов-манипуляторов, что обеспечивает высокую надежность и эффективность процесса.
Транспортировка и хранение стержневых пакетов до литейного цеха также автоматизированы, что гарантирует непрерывное и экономичное производство.
Еще одно преимущество метода литья в стержневые пакеты — гибкость производственного процесса. Смена оснастки возможна в течение цикла, а прототипы могут изготавливаться непосредственно в условиях серийного литья.
Применение аддитивного производства для изготовления стержней и форм обеспечивает дополнительную свободу проектирования, поскольку при 3D-печати отсутствуют ограничения, связанные с инструментальной оснасткой [Рис. 4].
Рисунок 4: Форма в разрезе (3D-печать)
Использование терморазрушающихся песчаных стержней позволяет создавать сложную геометрию с полыми структурами и поднутрениями, которые невозможно получить при литье под высоким давлением. Это также открывает возможность реализации инновационных модульных конструкций.
Для заливки стержневые пакеты транспортируются интегрированными внутри кокильной формы по роликовым конвейерам к машинам литья под низким давлением. Ламинарное заполнение формы под давлением осуществляется через один или несколько литников. Процесс литья под низким давлением имеет преимущество в характеристиках материала по сравнению с литьем под высоким давлением благодаря направленной кристаллизации, а также открывает дополнительные технологические возможности за счет вариантов применения различных специальных песков, связующих и покрытий.
Экономическая эффективность и стабильность процессов
После отработки технологии производства, изготовление концептуальной детали прошло через сравнительный анализ затрат. За основу взято производство 250 000 деталей в год в течение 7-летнего периода.
Инвестиционные затраты на оборудование оказались примерно на 30% ниже, чем при GIGA-литье (крупногабаритное литье под высоким давлением). Себестоимость изготовления одной отливки сопоставима с GIGA-литьем. Для мелких серий литье в песчаные формы предлагает значительные экономические преимущества по сравнению с литьем под высоким давлением благодаря существенно более низким затратам на оснастку.
Материалы и толщина стенок компонентов также находятся на сопоставимом уровне. Благодаря ламинарному заполнению формы и направленной кристаллизации можно производить высококачественные отливки. Проблемы литья под высоким давлением, такие как задиры или приваривание к форме, исключаются.
Кратко о преимуществах
Литье в песчаные формы крупногабаритных деталей привлекательно не только технологически, но и экономически:
- Пескострельные стержневые автоматы доступны для широкого диапазона габаритов стержней: технология готова к рынку и применима для крупногабаритных компонентов.
- Проверенный процесс для производства стержневых пакетов: литейные предприятия уже знакомы с этими процессами.
- Существующая инфраструктура: значительная часть вспомогательного и производственного оборудования уже имеется.
- Производство без оснастки благодаря 3D-печати: отдельные детали и мелкие серии могут гибко изготавливаться практически без дополнительных затрат.
- Изготовление изделий произвольной геометрии: аддитивное производство позволяет создавать геометрию форм, которую невозможно реализовать с помощью традиционной оснастки.
- Автоматизированные производственные процессы: использование роботов и транспортных систем обеспечивает стабильное качество при минимизации человеческого фактора.
Будущее не знает границ
Трансформация в автомобильном литье ставит перед компаниями литейной промышленности новые задачи, на которые необходимо реагировать инновационными решениями. Экологический прессинг выдвигает требования облегчения конструкций и повышения эффективности для минимизации выбросов CO₂ и оптимального использования ресурсов. В то же время принцип «форма следует за функцией» требует максимальной свободы проектирования, которая часто недостижима при литье под высоким давлением с использованием металлической оснастки.
Прогресс цифровизации и развитие программно-проектируемых автомобилей (SDV) предъявляют новые требования к структурным компонентам. Интегрированные компоненты играют решающую роль в обеспечении функционального дизайна при снижении общего веса конструкций. Новые концепции автомобилей, такие как модульные архитектуры и передовые аккумуляторные ячейки, также требуют гибкой производственной технологии, способной адаптироваться к меняющимся рыночным условиям.
Еще одним решающим фактором является применение искусственного интеллекта, который может ускорить технологическое развитие и значительно сократить сроки разработки. Компании, обладающие высокой степенью производственной гибкости и способные быстро реагировать на новые рыночные требования, обеспечат себе долгосрочное конкурентное преимущество. Одновременно все большее значение приобретает квалификация и развитие кадров. Только благодаря специализированным и хорошо подготовленным сотрудникам компании смогут сохранять свою инновационную силу и создавать привлекательные, устойчивые к будущим вызовам рабочие места.
Заключение
Совместный проект Хюттенес-Альбертус и Laempe наглядно демонстрирует огромный потенциал крупногабаритного литья в песчаные формы для автомобильных облегченных кузовных деталей. Литейные предприятия не только получают экономически выгодную альтернативу GIGA-литью на МЛВД, но и новую бизнес-перспективу. Благодаря инновационным технологиям и партнерским связям Хюттенес-Альбертус и Laempe поддерживают отрасль в разработке устойчивых и гибких решений.
Будущее автомобилестроения характеризуется новыми материалами, методами производства и цифровизацией — крупногабаритное литье в песчаные формы позволяет сделать решающий шаг к эффективному и гибкому производству.
Дипл.-инж. Франц Фридрих Буц | Генеральный директор | Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH (HA Group)
Дипл.-инж. Рудольф Винтгенс | Генеральный директор по технологиям | Laempe Mössner Sinto GmbH
Оригинал статьи на английском языке вы можете прочитать здесь.
Сайт https://www.foundry-planet.com/