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HPDC製程最佳化與成本降低
- 泓崴科技
- 1小时前
- 讀畢需時 3 分鐘
Malte Leonhard和Florian Wirth，Flow Science Deutschland GmbH
本文案例是由FLOW-3D CAST的長期用戶 Project Engineering GmbH提供，藉由鑄件以兩種不同的設計方案來探討開發階段的充填過程，並透過FLOW-3D CAST協助進行最佳化鑄造參數和提供全面性的幫助，達到壓鑄技術的最佳實踐以及模擬帶來的經濟效益。
在內澆口位置使用金屬進料充填
金屬進料可在開發階段初期以內澆口位置提供了一種進料方式，透過調整位置、尺寸和金屬速度等參數，可以有效評估流況、實現定向填充和最佳化溢料井、排氣的策略…等關鍵目標。
影片顯示了使用三種不同的內澆口設計充填柱狀結構：
版本 1 和 3 有大面積的滯留空氣區域。
版本 2 實現了平順的填充過程，其中兩個熔湯前緣連續填充鑄造部件。
將內澆口系統放置在結構中間中，確保空氣在 T 型部位排出，達到有效排氣。
最佳化流道設計
另一項重要的改善為最佳化內澆口幾何形狀。由文獻 [1] 中，對柱狀結構流道系統的初始設計進行了改進，從而可以沿著內澆口實現最佳橫截面定義。
這種改善可最大限度地減少湍流場並提高整體鑄造品質。
從影片中可看到兩種不同流道系統設計的柱狀結構充填比較：
版本 1：在內澆口處可以看到尾流區，導致空氣滯留。
版本 2：透過減少沿弦線的突然橫截面變化，空氣滯留明顯減少。
尾流區消失，金屬前端與鑄件無縫融合。
客戶案例研究：Project Engineering GmbH 實現鑄造製程最佳化並降低成本
Andreas Harborth, Project Engineering GmbH
Project Engineering GmbH 成功應用FLOW-3D CAST在壓鑄製程中生產最佳的油底殼蓋。
初始狀態：
年產量：60,000 件/年
柱塞頭直徑 100 mm
機台噸數：1600噸
合金：EN AC-AlSi9Cu3(Fe)
鋁料重量：2885克
填充及固化時間：26.5秒
最終客戶要求進行成本最佳化，以確保價格降低 3%，同時保持或提高品質。
最佳化目標：
提高鑄造效率
減少回收材料的重量（例如流道和排氣裝置）
縮短週期時間
最大限度地降低廢品率並提高製程穩定性
初步設計中確定的關鍵問題
透過評估初始設計，我們發現以下特定領域需要改進：低填充率（23%）—低填充率和柱塞速度（0.15 m/s）導致第一階段循環時間較長。
鑄件與產品重量比高（2.2:1）－多餘的材料需要回收，增加鎖模力需求與凝固時間。
廢品率高－滯留的空氣導致孔隙率過高，凸顯了改善排氣策略的必要性。
使用FLOW-3D CAST進行最佳化
透過重新設計澆鑄系統和填充策略，實現了有效的性能和經濟改進：
收入增加 165% – 提高製程效率使總收益從每年約 38,000 歐元增加到每年約 100,000 歐元。
鑄造機噸數變小——投影面積的減少將所需的閉合力降低至 1200 噸，從而減少了機器和時間成本。
體積孔隙率減少 62% – 最佳化的排氣和內澆口有效地減少湍流並改善氣體排出。
鑄件重量減少 14% – 總鑄件重量從 2885 克減少到 2470 克。材料消耗降低可節省熔化過程中的能源。
週期時間縮短 10% – 縮短了第一階段的填充時間。透過幾項設計和製程的改變，實現了更快的凝固時間，包括更小的柱塞直徑，從而降低了熱模量。如果提前 6 秒開模取出零件，產量可提高 +7 件/小時。
整體鑄件品質提高了50％，滿足客戶對洩漏和孔徑的要求。這直接提高了產量和盈利能力，確保所要求3%的價格降低，同時仍將利潤率提高了165%。
上面的影片比較了原始設計和最終最佳化設計的填充行為。
第一個影片顯示填充階段的速度大小；第二個影片顯示捲氣含量。在原始設計中，有幾個製程中的明顯問題。
低速階段耗時明顯較長，導致向下一階段的高速延遲。
在高速點處，流道中會出現可見的熔湯飛濺，導致流動紊亂。
在第二階段，進內澆口之間會形成較大的尾流區，難以排出的空氣。
最終最佳化設計顯示更快、更可控的填充過程。
最佳化的流道系統可實現無縫熔湯前沿，達到有效地將空氣推入排氣系統。
此項改進可最大程度減少夾帶空氣並降低氣孔風險。
這些效果使得填充更加穩定和均勻，這可以在最佳化設計的動畫中清楚地觀察到。
參考文獻
[1] Nogowizin (2010) Theorie und Praxis des Druckgusses