WASHBOARD-TECHNOLOGIE IN MATRIJSONTWERP: POROSITEIT VERMINDEREN IN HOGEDRUKGIET-ONDERDELEN
De uitdaging: porositeit in aluminium gietstukken
Hogedrukgieten (“High-pressure die casting” of ook wel HPDC) is een fabricageproces waarbij gesmolten aluminium met hoge snelheid en onder hoge druk in een stalen matrijs wordt geïnjecteerd.
De holte van de matrijs vult in slechts enkele milliseconden. Een belangrijk gevolg van deze snelle vulling is porositeit – kleine holtes of bellen die in het gestolde metaal zijn ingesloten.
Voor complexe, zwaarbelaste onderdelen kan dit een risico inhouden.
Porositeit ontstaat uit 2 hoofdbronnen:
-
gasporositeit, veroorzaakt door lucht en gassen die niet snel genoeg uit de matrijs kunnen ontsnappen tijdens het inspuiten van het materiaal, en
-
krimpporositeit, veroorzaakt door ongelijke afkoeling en stolling van het metaal.
In een standaard matrijs zonder geavanceerde ontluchtingssystemen kan porositeit tot 3 – 5% van het gietstukvolume uitmaken, wat leidt tot verminderde mechanische sterkte, drukdichtheidsstoringen, cosmetische defecten en hogere afkeuringscijfers.
Veel voorkomende problemen bij de nabehandeling van deze onderdelen zijn onder meer dat porositeiten zichtbaar worden tijdens het bewerken (vooral frezen) of dat porositeiten de afwerking van het product beïnvloeden (bij coating of andere oppervlaktebehandelingen).
Wat is een washboard?
Een washboard – ook wel aangeduid als een “chill vent” – is een speciaal ontworpen inzetdeel ingebouwd in de matrijs aan het einde van het stroompad van het metaal. Het bestaat uit 2 passende blokken met een gegolfde (golvende of zigzagvormige) spleet ertussen. Met hun ribben lijken deze delen op een traditioneel wasbord.
Het smalle, labyrintvormige kanaal dient een dubbel doel:
het stelt ingesloten lucht en gassen in staat om vrij uit de matrijsholte te ontsnappen, wat een grotere afvoer van lucht in zeer korte tijd mogelijk maakt;
tegelijkertijd het gesmolten metaal dat het kanaal binnenkomt bevriezen (laten stollen), waardoor het niet verder tot buiten de matrijs kan doordringen.
Het resultaat is een gecontroleerde, zelfverzegelde ontluchting die de gietkwaliteit dramatisch verbetert.
Materiaalkeuze: berylliumkoper (CuBe) inzetdelen
De effectiviteit van een washboard hangt in grote mate af van het gebruikte materiaal. Ons premium gereedschapsstaal voor matrijzen (Uddeholm Orvar Supreme) heeft een thermische geleidbaarheid van ongeveer 27 W/m·K. Washboard-inzetdelen zijn vervaardigd uit berylliumkoperlegering, die een thermische geleidbaarheid van ongeveer 240 W/m·K biedt – bijna 9 keer hoger dan gereedschapsstaal.
Deze aanzienlijk snellere warmteafvoer betekent dat vloeibaar aluminium dat het gegolfde kanaal binnenkomt bijna onmiddellijk stolt bij contact met de washboard-oppervlakken. De snelle afkoeling voorkomt dat metaal doorslaat, en stelt de ontwerper cruciaal in staat om een bredere ontluchtingsspleet (typisch 0.8 – 1 mm versus 0,05 – 0,1 mm voor conventionele ventilatieopeningen), wat op zijn beurt aanzienlijk meer ingesloten gas per tijdseenheid afvoert.
Chill vent vervaardigd door InterGuss.
Invloed op het gietproces en de kwaliteit
Het opnemen van washboards in het matrijsontwerp bestrijdt porositeit via 5 aanvullende mechanismen:
- Gasafvoer: het gegolfde kanaal biedt een groot oppervlak en een bredere spleet dan vlakke ontluchtingsgaten, waardoor ingesloten lucht tijdens de milliseconden van het vullen van de holte efficiënt kan ontsnappen. Studies tonen aan dat geoptimaliseerde ontluchtingssystemen gasporositeit tot 80% kunnen verminderen.
- Verontreiniging vangen: het eerste metaal dat het einde van het stroompad bereikt, is meestal het koudst, en tegelijk het meest vervuild met oxiden (een dunne laag aluminiumoxide die zich vormt bij contact met lucht). Overvloeiers en washboards vangen dit “eerst aankomende” metaal op, waardoor oxide-insluitsels niet in het eindproduct achterblijven.
- Thermisch evenwicht: washboards helpen de temperatuurverdeling over de matrijs te reguleren. Uniforme thermische voorwaarden verminderen het risico op "hot spots" (gelokaliseerde gebieden die het laatst afkoelen), die de primaire oorzaak zijn van krimpporositeit en oppervlaktedefecten zoals "cold shuts" (zichtbare lijnen waar twee metaalstroomfronten elkaar ontmoeten zonder volledig te versmelten).
- Consistente ontluchtingsbetrouwbaarheid: conventionele vlakke ontluchtingsgaten zijn gevoelig voor progressieve verstopping als metaaldeeltjes en oxideafzettingen zich ophopen tijdens productiereeksen, wat hun effectiviteit geleidelijk vermindert. De gegolfde geometrie van een washboard, gecombineerd met de zelfverzegelende stollingsactie, handhaaft stabiele en herhaalbare gasafvoer gedurende de gehele levensduur van de matrijs.
- Compatibiliteit met geforceerde (vacuüm) ontluchtingssystemen: het washboard-ontwerp is volledig compatibel met vacuümondersteunde gietsystemen, waarin een vacuüm actief op de matrijsholte wordt toegepast om restgas vóór en tijdens het injecteren af te voeren. In combinatie met vacuümontluchtingssystemen fungeert het washboard als een gecontroleerd tussenstuk dat vacuümverlies voorkomt en tegelijkertijd de verwijdering van gas maximaliseert – waardoor gietstukken met de laagst mogelijke porositeitniveaus kunnen worden geproduceerd, inclusief componenten met warmtebehandelbare en lasbare kwaliteiten.
De rechterfoto toont de verbeterde porositeitniveaus.
Het nettoresultaat is een gietstuk met zeer lage porositeitniveaus, typisch 1% van het volume, of zelfs nog lager, aanzienlijk verbeterde mechanische eigenschappen en betere oppervlakteafwerking – wat rechtstreeks leidt tot lagere uitvalpercentages in productie.
Kostenimplicaties
Het opnemen van washboard-inzetdelen verhoogt de initiële matrijskosten om 2 redenen:
- het berylliumkopermateriaal zelf is aanzienlijk duurder dan gereedschapsstaal, en
- de gegolfde geometrie vereist extra nauwkeurig bewerken van de inzetblokken.
Deze investering wordt echter terugverdiend door minder afgewezen gietstukken, minder herwerking, minder stilstand voor kwaliteitsinterventies en de mogelijkheid om nauwere kwaliteitsspecificaties (zoals drukdichtheid) te bereiken.
Voor onderdelen met hoge geometrische complexiteit – waarbij het risico op gasinsluiting inherent verhoogd is – vertegenwoordigen matrijzen voorzien van washboards de technische standaard. Deze benadering wordt dan ook veelvuldig gebruikt door toonaangevende OEM’s in de automobiel- en elektronicasector.
Onze aanpak bij het ontwerpen van een matrijs
Wij zijn ervan overtuigd dat een matrijsofferte moet weerspiegelen wat technisch noodzakelijk is om uw component op het vereiste kwaliteitsniveau te produceren – niet wat nodig is om een prijsvergelijking te winnen. Als onze technische beoordeling aantoont dat washboard-inzetdelen noodzakelijk zijn, nemen wij ze op, en leggen wij u precies uit waarom.
Bij twijfel kunnen we opties voorzien om de bijkomende ontluchtingstechnologie op een later moment nog aan de matrijs toe te voegen. Deze ontwerpkeuze moet echter van bij het originele ontwerp worden meegenomen, of ze kan achteraf niet meer worden toegevoegd.
Wij stellen liever de juiste oplossing voor, dan een lagere prijs aan te bieden die verderop in het proces problemen veroorzaakt.
Elke component heeft zijn eigen uitdagingen – variaties in wanddikte, complexiteit van het stroompad, functionele eisen, ... Wij denken graag met u mee en bespreken uw specifieke toepassing, om te bekijken of hogedrukgieten voordelen kan bieden voor uw product.
Contacteer ons, we bekijken graag de mogelijkheden voor uw project.