圖1 3D模型

本篇技術(shù)文章基于Hüttenes-Albertus（以下簡稱HA集團(tuán)）與Laempe的合作，該合作成果曾由Franz Friedrich Butz（HA集團(tuán)）和Rudolf Wintgens（Laempe Mössner Sinto有限公司）在“2024年新制造世界”大會(huì)和“2025造型材料論壇”上展示。

汽車行業(yè)多年來經(jīng)歷著重大轉(zhuǎn)型，其特點(diǎn)尤其體現(xiàn)在動(dòng)力系統(tǒng)的多元化。隨之而來的是對(duì)減重日益增長的需求，這導(dǎo)致鋁合金鑄件在車身制造中的應(yīng)用顯著增加。這一快速發(fā)展催生了日益復(fù)雜和大型化的功能集成式結(jié)構(gòu)鑄件。

大型一體化壓鑄技術(shù)（MEGA/GIGA casting）使得生產(chǎn)極其大型的部件成為可能，該技術(shù)采用壓鑄工藝。

這種用于結(jié)構(gòu)部件的高性能制造工藝在過去幾年中已經(jīng)確立，并發(fā)展成為先前鋼板車身制造方法的一個(gè)有趣替代方案。然而，它也帶來了重大挑戰(zhàn)，包括高昂的投資成本、較長的設(shè)置時(shí)間和模具壽命、有限的部件設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的維修和保險(xiǎn)問題。

砂型鑄造提供了一種替代性的、高效的且在技術(shù)上具有優(yōu)勢(shì)的工藝。該工藝尤其在中型批量生產(chǎn)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

鑄造化學(xué)專家HA集團(tuán)與制芯設(shè)備技術(shù)專家Laempe之間的一個(gè)合作項(xiàng)目表明，在該工藝中同樣可以實(shí)現(xiàn)新思維和新方法。

圖2 鑄件

大型砂型鑄造研究

在一項(xiàng)創(chuàng)新研究中，兩家市場領(lǐng)導(dǎo)者與一家數(shù)字成本分析專家共同研究了砂型鑄造在車身制造中的潛力。

該研究包括一個(gè)使用低壓組芯鑄造工藝制造豪華車輛后車架的概念 [圖1, 2]。

研究還提供了與壓鑄工藝在經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性方面的比較。結(jié)果表明，砂型鑄造可以成為壓鑄的有效替代方案，尤其是在設(shè)計(jì)復(fù)雜性、功能集成靈活性以及部件尺寸方面需求日益增加的情況下。

圖3 砂型/芯組爆炸視圖

采用射芯工藝制造砂型鑄件

砂型采用射芯工藝制造，也可選擇通過3D砂型打印制造。石英砂通常用作標(biāo)準(zhǔn)造型材料。使用特殊造型材料和粘結(jié)劑系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)鑄件的特定性能也輕而易舉。成熟的射芯工藝確保了鑄件的高尺寸精度和穩(wěn)定性。

此外，使用內(nèi)部砂芯可以精確復(fù)制倒扣和任何復(fù)雜的空腔 [圖3]。

在鑄造廠，砂型和砂芯通過搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)組裝，確保了高工藝可靠性和效率。

芯組到澆注廠的運(yùn)輸和存儲(chǔ)路線也是自動(dòng)化的，確保持續(xù)且經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。

射芯工藝的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是生產(chǎn)過程的靈活性。模具更換可以在生產(chǎn)周期內(nèi)進(jìn)行，原型件可以直接在系列鑄造中生產(chǎn)。

將增材制造用于砂芯和砂型生產(chǎn)帶來了額外的靈活性和非凡的設(shè)計(jì)自由度，因?yàn)?D打印沒有模具相關(guān)的限制 [圖4]。

圖4：砂型橫截面（3D打印）

使用可消失的砂芯使得能夠?qū)崿F(xiàn)中空結(jié)構(gòu)和倒扣的復(fù)雜幾何形狀，這些是無法通過壓鑄生產(chǎn)的。這也使得諸如包到開體（cell-to-pack）解決方案等創(chuàng)新概念得以實(shí)現(xiàn)。

在澆注過程中，帶有集成永久模部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸托盤通過輥道將芯組運(yùn)送到低壓鑄造機(jī)。通過一個(gè)或多個(gè)升液管實(shí)現(xiàn)壓力輔助的層流充型。與壓鑄相比，低壓鑄造工藝憑借定向凝固在材料特性方面具有優(yōu)勢(shì)，并且在砂子、粘結(jié)劑和涂料的變化方面提供了進(jìn)一步的技術(shù)激勵(lì)。

成本效益與穩(wěn)定工藝

工藝成熟后，對(duì)該概念部件進(jìn)行了成本基準(zhǔn)測試，并使用成本分析進(jìn)行了評(píng)估。基礎(chǔ)是年產(chǎn)25萬件，持續(xù)7年。

工廠技術(shù)的投資成本比大型一體化壓鑄低約30%。單件制造成本與大型一體化壓鑄相當(dāng)。對(duì)于較小批量的生產(chǎn)，由于模具成本顯著降低，砂型鑄造工藝相比壓鑄具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。

部件的材料性能和壁厚也處于相似水平。通過層流充型和定向凝固可以生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件。避免了壓鑄中的拉傷或粘模點(diǎn)等挑戰(zhàn)。

優(yōu)勢(shì)一覽

大型砂型鑄造不僅在技術(shù)上，而且在經(jīng)濟(jì)上都具有吸引力：

多種規(guī)格的射芯機(jī)可供選擇：該技術(shù)已準(zhǔn)備就緒，可用于大型部件。

成熟的組芯工藝：鑄造廠已熟悉相關(guān)流程。

現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施：大部分外圍和制造設(shè)備已經(jīng)到位。

通過3D砂型打印實(shí)現(xiàn)無模具生產(chǎn)：可以靈活且?guī)缀醭杀局辛⒌厣a(chǎn)單件和小批量產(chǎn)品。

特殊輪廓的實(shí)現(xiàn)：增材制造可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模具無法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀。

自動(dòng)化制造流程：機(jī)器人和物流系統(tǒng)的使用確保持續(xù)的質(zhì)量，且對(duì)人員依賴度低。

未來無極限

汽車鑄造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型給鑄造行業(yè)的企業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，我們必須以創(chuàng)新的解決方案來應(yīng)對(duì)。生態(tài)出行需要輕量化和高效率，以最小化二氧化碳排放并優(yōu)化資源利用。同時(shí)，“形式追隨功能”的原則要求最大的設(shè)計(jì)自由度，這通常是永久模束縛的壓鑄工藝無法實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字化的推進(jìn)和軟件定義汽車（SDV）的發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)部件提出了新的要求。集成部件在實(shí)現(xiàn)功能性和重量效率優(yōu)化的設(shè)計(jì)中起著決定性作用。新的車輛概念，如包到開體架構(gòu)和先進(jìn)的電池單元，也需要能夠適應(yīng)不斷變化的市場需求的靈活制造技術(shù)。

另一個(gè)決定性因素是人工智能的應(yīng)用，它可以加速技術(shù)發(fā)展并顯著縮短開發(fā)時(shí)間。那些擁有高度生產(chǎn)靈活性并能快速響應(yīng)新市場需求的企業(yè)將在長期內(nèi)獲得競爭優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，技術(shù)工人的資格認(rèn)證和培養(yǎng)變得越來越重要。只有擁有專業(yè)化和訓(xùn)練有素的員工，企業(yè)才能保持其創(chuàng)新能力，并創(chuàng)造有吸引力的、面向未來的工作崗位。

結(jié)論

HA和Laempe的合作項(xiàng)目清晰地展示了大型砂型鑄造在汽車輕量化結(jié)構(gòu)方面的巨大潛力。通過此工藝，鑄造廠不僅獲得了大型一體化壓鑄的經(jīng)濟(jì)替代方案，也獲得了新的業(yè)務(wù)視角。通過創(chuàng)新技術(shù)和協(xié)作伙伴關(guān)系，HA和Laempe支持該行業(yè)開發(fā)可持續(xù)且靈活的解決方案。
汽車制造的未來以新材料、生產(chǎn)方法和數(shù)字化為特征——憑借大型砂型鑄造，可能向高效靈活的制造邁出決定性的一步。

Hüttenes-Albertus（HA集團(tuán)）

HA集團(tuán)是全球領(lǐng)先的鑄造用化學(xué)品制造商。這家擁有100多年歷史的家族企業(yè)專注于研究、現(xiàn)代技術(shù)以及與客戶和合作伙伴的緊密合作，以開發(fā)前瞻性解決方案。HA集團(tuán)提供用于砂型和砂芯生產(chǎn)的高品質(zhì)材料以及全面的服務(wù)。HA集團(tuán)在全球30多個(gè)國家擁有約1800名員工，擁有自己的生產(chǎn)基地、實(shí)驗(yàn)室和銷售公司，形成了強(qiáng)大的國際網(wǎng)絡(luò)。

https://www.ha-group.com

Laempe Mössner Sinto有限公司

Laempe Mössner Sinto有限公司是全球鑄造行業(yè)制芯技術(shù)的市場領(lǐng)導(dǎo)者，提供全面的機(jī)器、自動(dòng)化解決方案和服務(wù)組合。自1980年成立以來，公司通過創(chuàng)新和專業(yè)知識(shí)不斷發(fā)展。除了自動(dòng)射芯機(jī)、混砂機(jī)和控制系統(tǒng)，Laempe還根據(jù)客戶需求實(shí)施交鑰匙芯部車間。公司服務(wù)于眾多行業(yè)，包括汽車、機(jī)械工程和電機(jī)制造業(yè)。Laempe在全球擁有約300名員工、自己的銷售辦事處和25家合作伙伴，提供一流的服務(wù)和全球支持。

https://www.laempe.com

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