Afbeelding 1 Een DAF Trucks MX-13 motor. Een 'doos' met gietstukken met een wanddikte van niet meer dan enkele millimeters plaatselijk (Foto: DAF Trucks NV)

Door Erik Tempelman, adviesbureau eriktempelman.com, universitair hoofddocent TU Delft - Industrieel Ontwerpen

Het gietstuk komt dan in aanmerking voor verdere productiestappen, zoals afwerken, verspanen, warmtebehandeling, coaten enzovoort. Zandvormen zijn eenmalig te gebruiken, vormen zijn geschikt voor hergebruik. Verder is er altijd een gietsysteem, dat wil zeggen een systeem van kanalen en vormen dat zorgt voor een optimale vulling en stolling. Dit gietsysteem wordt over het algemeen gerecycled.

Afbeelding 2 Een andere kant van het gieten: de Art Nouveau 'bouches de métro' in Parijs, ontworpen door Hector Guimard.

Gieten biedt een verbazingwekkende reeks afmetingen: de kleinste gietstukken wegen minder dan een gram, de grootste honderden tonnen. Qua batchgroottes varieert het proces van enkelstuks en kleine serieproductie (soms met 3D-geprinte mallen, als hybride proces) tot massaproductie met honderdduizenden stuks per jaar. Ook de look & feel van gietstukken is heel divers: vergelijk een hightech motorblok (afbeelding 1) met een elegante metro-entree in Parijs (afbeelding 2). En dan zijn er nog de verschillende methoden, zoals zandgieten, zwaartekrachtgieten, verloren was gieten etc. - een twintigtal in totaal, elk weer beschikbaar in tal van uitvoeringen.

Trouwens... achter dat woord 'motorblok' schuilt de verfijning die casting nu heeft bereikt. Met een lengte van pakweg een meter en een wanddikte van slechts 6 mm (!) plaatselijk is zo'n MX-motor eigenlijk geen blok maar een bak. En wist je dat de Tesla Model Y ook een gigantisch dunwandig gietstuk in zijn constructie heeft? Of dat röntgeninspectie storende gietfouten kan uitsluiten, zodat de technologie ook welkom is in veiligheidskritische toepassingen? Echt, het is een maakproces van de 21e eeuw.

In theorie kunnen we bijna elk metaal, in elke samenstelling, verwerken. In de praktijk zijn er echter bepaalde voorkeuren. Bijvoorbeeld, bij aluminiumlegeringen met 6-12 procent silicium is de regel, en ijzer mengen we om gietijzer te maken met 2-4 procent koolstof, plus 1-2 procent silicium. Dit is anders dan bij gesmeed aluminium legeringen en staal, waar minder grote hoeveelheden legeringselementen worden toegevoegd [Er zijn uitzonderingen: roestvast staal is bijvoorbeeld ook 'hooggelegeerd'. Roestvast gietijzer heeft echter weer een wezenlijk andere samenstelling.]. Door deze legering daalt de smelttemperatuur aanzienlijk en dit is wenselijk. Bovendien vermindert het de viscositeit van het gesmolten metaal, waardoor het gemakkelijker wordt om de mal te vullen. Het helpt vaak ook om de slink te verminderen [Slink = het volumeverlies dat optreedt tijdens het stollen, niet te verwarren met krimp, het volumeverlies door thermische contractie.] - een essentieel voordeel, vooral bij complexe gietstukken.

Deze legering heeft echter een nadeel: sterkte. In de praktijk zijn smeedstukken, extrusies en andere onderdelen die we met smeedlegeringen kunnen maken meestal sterker en taaier dan de vergelijkbare gietstukken. Ook het lassen op gietstukken is bijzonder uitdagend. Dit leidt tot het soort overwegingen dat de constructie zo uitdagend maakt, omdat gieten wel meer vormvrijheid biedt. En dat brengt ons bij het hart van DFMA (Design for Manufacturing and Assembly) voor gieten: de kunst en vaardigheid van het wegen. Kennis helpt altijd, dus laten we samen de belangrijkste punten doornemen. Volg mij, lezer!

Niet elke gietmethode laat ons de keuze, maar indien mogelijk willen we onze zandvorm of vorm 'stijgend' gieten (afbeelding 3). Op deze manier komt het gesmolten metaal soepel van onder naar boven in de matrijs en kan de daarin aanwezige lucht plus de daarbij vrijkomende gassen gemakkelijk ontsnappen. Het alternatief 'afdalend' werpen is in dit opzicht veel minder geschikt. Ook willen we voorkomen dat het gesmolten metaal opspat - je ziet dit probleem bij een overenthousiast ingeschonken koffiekopje, maar dan letterlijk honderden graden erger. Natuurlijk valt het metaal in de 'giettrechter' (in figuur 3(b) links van het gietstuk) ook van boven naar beneden, maar dit deel van het gietsysteem kunnen we precies afstemmen op ons doel, niet gehinderd door de vorm van de eigenlijke casting.

 Figuur 3 Aflopend werpen (a) versus stijgend werpen (b). 

Verder vullen we het liefst zo langzaam dat het binnenkomende metaal laminair stroomt - zeker met de lichte metalen. Het vrije oppervlak van de metaalstroom oxideert immers in de lucht in de vormholte en deze oxiden mogen niet ingesloten raken. Hun hoge hardheid en brosheid maken ze tot ideale uitgangspunten voor vermoeiingsscheuren, en ook de rek bij breuk van het metaal lijdt sterk onder hun aanwezigheid. Zodra de stroming turbulent wordt, komt er veel meer vrij oppervlak beschikbaar en treedt er veel meer insluiting op (Figuur 4). Het probleem hier is dat aluminiumoxide bijna dezelfde dichtheid heeft als het gesmolten aluminium zelf. Het drijft dus niet naar boven, maar blijft in het metaal. Bij gietijzer is dit probleem aanzienlijk minder uitgesproken.

Figuur 4 Laminaire versus turbulente vulling. 

Een laatste punt om hier te vermelden - gieterijhandleidingen vertellen u meer - is koudlopen. Natuurlijk willen we het productformulier volledig invullen. Als het metaal echter voortijdig stolt, werkt dit niet en krijgen we te maken met cold shutdown. Dit is met name het geval bij de combinatie van relatief dunne gietstukken en stalen mallen; het probleem treedt minder snel op bij dikkere delen en/of bij zandvormen. Koudlopen kunnen we voorkomen door via meerdere punten op het gietstuk te gieten. Zo hoeft het gesmolten metaal niet zo ver van elk gietpunt te stromen om toch de gehele vormholte te vullen. Het nadeel is een complexer en zwaarder schenksysteem; elk gietpunt laat ook een markering achter die moet worden afgewerkt. Koudlopen kunnen we ook voorkomen door op hoge snelheid te vullen. Dit vereist echter hoge drukken en zware, dure matrijzen en is daarom alleen rendabel voor grote series: dit is hogedrukgieten, ook wel spuitgieten genoemd. Dan is er nog het probleem van de oxiden, want snel vullen is turbulent vullen. En wat is daar de oplossing voor? Nou ja, vacuümgieten bijvoorbeeld. Nog duurder, maar inmiddels een gevestigde techniek.

Wanneer de mal gevuld is, kan het gesmolten metaal stollen en verder afkoelen. De stollingswarmte vertegenwoordigt daarbij een verrassend groot deel van de totale af te voeren warmte. Bij aluminium is dit bijvoorbeeld gelijk aan de warmte waarmee je het metaal ~400 °C kunt verwarmen, bij gietijzer zelfs zo'n 540 °C [Je ziet dit ook bij water: smelten staat voor een temperatuurverschil van 44 °C - daarom een ​​paar ijsblokjes om de drank zo lang koel te houden.]. Als je ook bedenkt dat we het gietstuk in principe uit de mal kunnen halen zodra het gestold is, dan zie je dat de stolwarmte bijna de norm wordt voor productiviteit. Hoe snel kunnen we het metaal stollen? Deze vraag is al in 1940 analytisch beantwoord en experimenteel bevestigd. Merk op dat de hoeveelheid af te voeren warmte schaalt met het volume V van het giet- plus gietsysteem en dat deze via het oppervlak A moet worden afgevoerd. Dan volgt de stollingstijd van tstol = C·(V/A)2. De term V/A wordt ook wel de thermische modulus genoemd; C is de constante van Chvorinov, genoemd naar de ontdekker van de formule, en hangt af van de combinatie van gegoten metaal en vormmateriaal. Uit maatanalyse blijkt dat C de eenheden s/m2 heeft. De formule voorspelt voor een 6 mm dikke plaat van gietijzer, gegoten in zand, een stoltijd van ongeveer 8 seconden [Gebruik deze formule niet voor dunne producten (< 4 mm dik )! De stoltijd hangt dan af van V/A, niet van]. De bijbehorende ontwerpregel is duidelijk: dun is goed - het liefst zo dun dat we het gewoon niet koud krijgen. Uit bovenstaande blijkt dat we het metaal altijd zo snel mogelijk willen laten stollen, en daarna het gietstuk zo snel mogelijk verwijderen. De mal is dan immers weer beschikbaar voor een nieuw product ('massa = kassa'). Voor de uiteindelijke kwaliteit kan het echter gunstiger zijn om meer tijd te geven voor de warmteafvoer. En zoals we nu zullen benadrukken, kan er al genoeg mis gaan bij het casten.

Grote defecten die bij het gieten van metaal kunnen worden verwacht, zijn (i) porositeit, (ii) interne spanningen en/of kromtrekken, en (iii) afzettingen. We bespreken ze in deze volgorde.

Porositeit heeft drie verschillende oorzaken. De eerste is de krimp van het metaal, dat wil zeggen de volumevermindering bij de overgang van de ongeordende vloeibare fase naar de kristallijne geordende vaste fase. Zuiver aluminium krimpt bijvoorbeeld met 8 procent. Door toevoeging van silicium, een van de weinige stoffen die uitzet bij stollen, zakt deze waarde naar 6-7 procent, maar dat blijft een probleem. De oplossing voor slipporositeit is het tactisch plaatsen van 'risers' (risers en feeders) die dikker zijn dan het gietstuk, zodat ze langer vloeibaar blijven en zo de slip compenseren door extra metaal toe te voeren. Ze maken deel uit van het gietsysteem. Gietijzer heeft beduidend minder last van krimp, wat deels de populariteit van dit soms onderschatte materiaal verklaart [Gietijzer scheidt tijdens het stollen koolstof uit, dat zijn eigen volume inneemt in de vorm van microscopisch kleine bolletjes, platen of andere vormen, en de krimp is grotendeels of zelfs volledig compenseert.].

De tweede oorzaak van porositeit is gasvorming. Bij het gieten komen gassen vrij die perfect oplossen in het gesmolten metaal (inclusief H2), maar niet in het gestolde metaal. Ditzelfde effect maakt water transparant en ijs normaal gesproken niet. Een goede ontgassing kan gasporositeit voorkomen - elke gieter weet dit. Als u niet goed ontgast, riskeert u 'microporositeit' (veel fijn verdeelde belletjes) of zelfs 'macroporositeit'. Dat laatste is zeker geen goed nieuws: schakel dus een vakkundig castingbureau in.

Opgesloten luchtbellen zijn de derde oorzaak van porositeit. Bij hogedrukgieten (turbulente vulling!) is dit onvermijdelijk [... tenzij je onder vacuüm giet, tegen een forse meerprijs.], maar bij bijvoorbeeld zwaartekrachtgieten wel. Soms kan een bubbel ontsnappen, soms niet. Dit wordt mede bepaald door het gietsysteem, met name door het debiet in een gietkanaal, dat kan worden verminderd door het kanaal dikker te maken. Interne recycling van het zwaardere gietsysteem is echter ook een extra kostenpost.

Afbeelding 5: Simulatie en werkelijkheid van een macroporositeit (Afbeelding: Design8/Altair) Enkele generaties ingenieurs geleden, rond 2000, waren castingsimulaties nog voorbehouden aan experts, die met dure software aan dito hardware werkten. Hun werk was duur en tijdrovend, maar ook toen was het een essentiële aanvulling op de constructie van gietstukken. Huidige simulaties zijn bijna lichtjaren verwijderd. Vul- en stollingsgedrag, defecten en dergelijke kunnen eenvoudig worden voorspeld en geoptimaliseerd. Vooral de snelheid is indrukwekkend: ontwerp en simulatie vloeien naadloos in elkaar over. Vanzelfsprekend is het belangrijk om simulaties deskundig te interpreteren en in de praktijk goed te kalibreren. Zaken als de exacte warmtecompensatiecoëfficiënt van bijvoorbeeld uw mal zijn immers niet met een enkele muisklik te verkrijgen! Wie hiervoor zorgt, kan met state-of-the-art gietsimulaties de weg naar marktsucces aanzienlijk verkorten. Een van de verschillende softwarepakketten is Inspire van Altair (afbeelding 5). In ons land is het bedrijf Design8 beschikbaar voor verdere tekst en uitleg.

Interne spanningen ontstaan ​​doordat dunne delen sneller stollen en afkoelen dan dikke - denk aan de thermische modulus, V/A ! Tijdens krimpen en krimpen leidt dit tot spanningen, kromtrekken of een combinatie van deze ongemakken. Met de juiste compromissen, zoals het vermijden van grote dikteverschillen en het gebruik van royale afrondingen, is al die overlast onder controle te krijgen. Sterker nog, als je drukspanningen kunt genereren op plaatsen waar vermoeidheid op de loer ligt, wordt het nadeel een voordeel.

Excreties zijn ook gerelateerd aan de oplosbaarheid. Hier valt veel over te zeggen - zie Bronnen voor verder onderzoek voor verder onderzoek - maar de samenvatting is dat legeringselementen, evenals onzuiverheden, zich typisch ophopen ('afscheiden') aan de korrelgrenzen van het basismetaal. Mogelijke gasporositeit is er al, met een drastisch verlies aan eigenschappen als gevolg: vermoeiingssterkte, geschiktheid voor boren en frezen, corrosieweerstand enzovoort worden aanzienlijk verminderd. Ook de vorm van de korrels is van belang: klein en rond is beter dan groot en langwerpig.

Dus... hoe zorgen we voor fijne, ronde korrels, en kan uitscheiding überhaupt worden voorkomen? Het antwoord ligt onder meer in het kiezen van de juiste koelsnelheid en in slim legeren, zoals het toevoegen van korrelverfijners (bijv. TiB2 in aluminium gietstukken). Maar in de basis is het een complex probleem dat niet 1-2-3 op te lossen is, zeker niet voor alle mogelijke vormen, maten, gietmethodes en malmaterialen. Werk dus nauw samen met uw gieterij - en zeg niet te snel wat de vorm moet zijn, maar concentreer u op de functies die uw gietstuk moet vervullen. In samenwerking is veel mogelijk, geïsoleerd weinig.

Dit artikel heeft zich gericht op de algemene principes voor metaalgieten. Werkwijzen, zoals zandgieten, spuitgieten, enz., inclusief conventionele uitvoeringsvormen daarvan, zijn onbelicht gebleven. Let op, want alleen al online is hierover genoeg informatie te vinden. Met het voorgaande in gedachten, zult u dergelijke informatie, inclusief ontwerpregels, beter waarderen. Voor meer informatie, zie Castings door John Campbell (Oxford, 2003) en ASM Handbook Vol. 15: Gieten (ASM Int., 2008). Ook Manufacturing and Design (Elsevier, 2014) biedt je meer informatie en theorie, in een handig en toegankelijk formaat. Ook in eigen land staat u ten dienste van de Nederlandse Vereniging van Gieterijtechnici. Opgericht in 1927 - maar actueler dan ooit! U vindt ze op www.nvvgt.nl.

De auteur bedankt Roy Kastelein van Lautus Castings BV voor feedback op een eerdere versie van dit artikel. Eventuele resterende fouten of weglatingen zijn de verantwoordelijkheid van de auteur.

Dit artikel verscheen in de Constructeur van mei 2021.

Hier kun je een reactie achterlaten op het bericht. Om spam te voorkomen worden reacties pas gepubliceerd na beoordeling door de redactie.

De elektrische bakfiets Fulpra L1 heeft een Erkenning Goed Industrieel Ontwerp ontvangen. De fiets is ontworpen door industrieel ontwerpbureau Dynteq. Het is de eerste elektrische bakfiets met een RDW…

André Ricard, vooral bekend van het ontwerpen van de fakkel voor de Olympische Spelen in Barcelona in 1992, won dit jaar de DesignEuropa Lifetime Achievement Award. De genomineerden voor de &…

Belastingen in Nederland houden niet specifiek rekening met circulaire bedrijfsmodellen en vormen daarmee een belemmering voor een circulaire bedrijfseconomie. Onderzoek door belastingadvocaten van de Vrije…

De richtingaanwijzers, gordelverklikkers, piepjes van de parkeersensoren, enzovoort: deze geluiden bepalen het ritme van elke rit die een bestuurder maakt. Ze maken deel uit van zijn dagelijks leven. Maar hoewel dit…

Niezenscherm, spitmuur of spatmuur? Je ziet ze overal. Of eigenlijk zie je ze niet, omdat de schermen die sinds Covid-19 alomtegenwoordig zijn, kleurloos en transparant zijn. Dat kan gelukkiger, dacht de Australische ontwerper en…

Wilt u op de hoogte blijven van nieuws op het gebied van industriële productontwikkeling?

Schrijf je dan in voor de digitale nieuwsbrief van Product:

Welkom op de productpagina. Product informeert over de laatste ontwikkelingen in de wereld van industriële productontwikkeling op het gebied van techniek, materialen, design en design. De rubriek in het tijdschrift Constructeur biedt een mix van bedrijfsstrategische, economische en technische informatie over alle betrokken partijen. Kortom een ​​inspiratiebron voor de dagelijkse praktijk van de ontwerper.

Deze maand in het tijdschrift

De slaapbank die je ogen opende Mira-Pet

Ultrasone tandenborstel voor uw hond

  Product gaat verder als een sectie in 2020

In de afgelopen eeuwen zijn er veel verschillende producten en gebouwen ontworpen. Veel van deze producten en gebouwen hebben gemeenschappelijke kenmerken, waardoor ze in stijlen kunnen worden ingedeeld. Ontwerpstijlen zijn niet absoluut, ze ontstaan ​​niet van de ene op de andere dag en niet in alle landen tegelijk. Daarnaast ontstaan ​​er vaak kleine verschillen in kenmerken van een stijl per land en per ontwerper. Stijlen, of in ieder geval hun kenmerken, herhalen zich in de loop van de tijd. Desalniettemin is het met voldoende kennis over de kenmerken goed mogelijk om de stijlen in producten te herkennen. Een reeks artikelen bespreekt de belangrijkste stijlen na de Industriële Revolutie.

Stijlgeschiedenis, Art Deco, Arts & Crafts, Bauhaus, Jugendstil, Modernisme, Postmodernisme, Na het postmodernisme

Auteurs: Marijke Timmermans en Celine Joosten (IO-studenten, Universiteit Twente)

Disclaimer/privacyverklaring Contact Colofon Inschrijven Adverteren E-mail nieuwsbrief Sitemap

Vraag en aanbod Wie levert Constructor Elektro-Data A&B Kunststof en Rubber

© 2010-2019 MYbusinessmedia Holding bv Alle rechten voorbehouden