Metalen kernen met een laag smeltpunt gebruiken om holle onderdelen te gieten

In deze video laten we zien hoe je holle onderdelen maakt met legeringen met een lage smelttemperatuur als doorn. Deze worden dan gewikkeld in een pre-preg die wordt uitgehard in de oven voordat het metaal van de legering wordt uitgesmolten.

Dit is vooral handig voor methodes waarbij het onmogelijk zou zijn om een vacuümzak of -blaas in de binnenkant van het onderdeel te krijgen of voor complexe onderdelen waarbij je de binnenkant van het onderdeel nodig hebt voor een redelijk goede afwerking - zoals bij deze inlaatbuis.

Het basisproces bestaat uit het maken van een patroon van de doorn. Op basis van het patroon wordt vervolgens een siliconenmal gemaakt en gebruikt om de laagsmeltende legering te gieten. De doorn wordt vervolgens omwikkeld met pre-preg koolstofvezel en uitgehard bij een temperatuur die lager is dan het smeltpunt van de legering. De legering kan dan worden uitgesmolten voor later hergebruik.

In deze video laten we 2 methodes zien om het pre-preg laminaat te consolideren. De eerste is het gebruik van krimptape voor deze inductiebuis, de tweede is het gebruik van een vacuümzak. De vacuümzakmethode is handig als de vorm (zoals bij deze draagarm) zodanig is dat het gebruik van krimptape onpraktisch zou zijn om scherpe randen en andere details te voorkomen.

Het patroon vertegenwoordigt de binnengeometrie van het afgewerkte werkstuk en in gevallen waar nauwkeurigheid belangrijk is, moet hiermee rekening worden gehouden en moet indien nodig een geschikte offset worden gebruikt.

In dit geval hebben we een patroon voor één onderdeel 3D-geprint en het wishbone-patroon CNC-gefreesd uit PU-modelplaat. Als CNC niet beschikbaar is, kan het patroon ook gemakkelijk met de hand worden gevormd uit vele materialen zoals hout en MDF of een mal die rechtstreeks van het originele onderdeel wordt genomen.

De mal is gemaakt van siliconen. Met de hoge gebruikstemperatuur van 250C is silicone ideaal omdat het de temperatuur kan weerstaan die nodig is om de legeringen met een laag smeltpunt te gieten.

Om de silicone te gieten, moet je barrières maken rond het patroon om de silicone te gieten. In het geval van de inductiebuis hebben we een aantal barrières 3D-geprint door een offset van het originele patroon te maken. Over het algemeen is een dikte van 20 mm voor de siliconenmal ideaal om een sterke en stabiele mal te maken.

Als je geen toegang hebt tot 3D-geprinte of bestaande barrières, is het relatief eenvoudig om barrières te bouwen, zoals het geval is bij de wishbone. In dit geval gebruiken we gesneden platen van polypropyleen omdat dit gemakkelijk te gebruiken is, hoewel bijna elk materiaal kan worden gebruikt.

Om het gieten van het metaal te vergemakkelijken zijn er enkele eenvoudige afstandhouders gemaakt en op het patroon gelijmd om als trechters voor het gesmolten metaal te dienen. Het patroon is verzegeld met verschillende lagen S120 Board Sealer, hoewel dit niet essentieel is en de siliconen vanzelf loslaten van de plaat, geeft de verzegeling een hogere glans en een gladdere afwerking.

De afstandstrechters worden met superlijm op de modelplaat gelijmd. Het patroon moet worden opgehangen, dus worden er een paar deuvels toegevoegd aan de wishbone. Het patroon wordt dan met smeltlijm op de grondplaat gelijmd en de barrières kunnen worden gevormd en op hun plaats worden gelijmd. Er worden blokken karton gebruikt om de barrières te stutten en te ondersteunen, omdat er een aanzienlijk gewicht van siliconen tegen de barrières komt. Vervolgens wordt smeltlijm gebruikt om de barrières volledig op hun plaats te bevestigen. Op het 3D-geprinte patroon wordt vulwas gebruikt om de flenzen van de barrières goed af te dichten.

Voor de doornmallen gebruiken we de AS40 additievernettende silicone met een gebruikstemperatuur van 250°C, ruim boven het smeltpunt van de laagsmeltende legeringen.

De silicone wordt nauwkeurig afgemeten met een weegschaal en vervolgens grondig gemengd. Hoewel dit niet essentieel is, kan de silicone worden ontgast om eventueel ingesloten lucht te verwijderen als u over ontgassingsfaciliteiten beschikt. De silicone wordt dan in de mallen gegoten en krijgt 24 uur de tijd om volledig uit te harden.

Als de silicone volledig is uitgehard, is het tijd om de barrières te verwijderen en het patroon uit de siliconenmallen te halen. Aangezien siliconen zichzelf losmaken van de meeste materialen, zouden de patronen gemakkelijk uit de mal moeten komen.

Na het schoonmaken wordt een scalpel gebruikt om de mallen te splitsen. De mallen worden voorzichtig langs de splitlijn doorgesneden. Precisie is niet zo belangrijk omdat een licht golvende rand helpt bij het registreren en weer aan elkaar zetten van de 2 helften van de mal voor het gieten van het metaal. Blijf de helften uit elkaar halen terwijl je snijdt tot het patroon uit de mal kan worden gehaald.

Nu de siliconenmallen klaar zijn, is het tijd om de gelegeerde metalen te gieten. Handschoenen moeten altijd worden gebruikt bij het werken met LM95 vanwege het loodgehalte.

Om te bepalen hoeveel metaallegering er nodig is, is het belangrijk om het volume van de matrijsholte te berekenen. Als CAD is gebruikt, is dit relatief eenvoudig omdat de software je deze informatie meestal kan vertellen. In andere gevallen, waar dit onbekend is, zoals bij een handgevormd patroon, is het vullen van de mal met water en het vervolgens uitgieten om het volume te meten de snelste en eenvoudigste methode.

Zodra je het volume in liters weet, vermenigvuldig je dit met 9,7 om het gewicht van LM95 in kilo's te krijgen. In het geval van de inductiebuis is het volume 0,3 liter, wat betekent dat er 2,91 kg legering nodig is. In het geval van de draagarm is het volume 0,53 liter, wat betekent dat er 5,14 kg legering nodig is. Omdat het metaal volledig herbruikbaar is, maakt het niet uit als er een beetje extra wordt gesmolten, dus wordt er 3 kg gebruikt voor de inductiebuis en 6 kg voor de draagarm.

Vanwege het gewicht van het metaal dat wordt gegoten, moeten de malhelften worden ondersteund en aan elkaar worden geklemd zodat ze niet losraken en een verbinding veroorzaken. Voor de draagarm worden eenvoudige platen gemaakt voor elke kant en vervolgens aan elkaar geklemd. Voor de inductiebuis zorgen kabelbinders die op regelmatige afstanden worden vastgezet voor voldoende compressie om die mal te ondersteunen.

De LM95 smelt bij 95°C, maar om ervoor te zorgen dat het metaal niet stolt bij het gieten tegen de koude mal of net tijdens het gietproces, verwarmen we het tot 130°C. In dit geval gebruiken we onze OV301 uithardingsoven om de legering op te warmen, maar elke oven zou geschikt moeten zijn omdat precieze temperatuurregeling niet nodig is. Voor het gieten van de inductiebuis duurde het ongeveer 1 uur om te beginnen met smelten en nog een uur om volledig te smelten. De tijd die hiervoor nodig is, hangt af van het vermogen van de oven en de massa van het metaal dat wordt gesmolten.

Hoewel de LM95 lood bevat, zijn de betrokken temperaturen niet hoog genoeg om dampproblemen te veroorzaken, dus normale voorzorgsmaatregelen bij het hanteren zijn prima. Als je lood helemaal wilt vermijden, of als de pre-preg die je gebruikt een hogere uithardingstemperatuur heeft, dan is de LM138 loodvrij. De LM138 smelt bij 138°C.

Als het metaal de vereiste temperatuur heeft bereikt, kan het voorzichtig in de mal worden gegoten. De kan is zwaarder dan hij eruit ziet, dus zorg ervoor dat je hem goed ondersteunt en dat je goede handschoenen voor hoge temperaturen draagt. Voor grotere gietingen kun je het metaal in meerdere kannen verdelen om het hanteren te vergemakkelijken. Je zult merken, vooral bij grotere gietvormen, dat het metaal een beetje krimpt als het afkoelt.

Zodra het metaal volledig is uitgehard, kunnen de opspandoorns uit de mal worden gehaald. De AS40 laat gemakkelijk los van het metaal zonder gebruik van een lossingsmiddel, waardoor het ontmallen eenvoudig en snel gaat.

De complete gietstukken hebben een zeer goed oppervlak en het enige dat nog gedaan moet worden is een kleine nabewerking voordat ze gebruikt worden. De ongewenste gietdelen zijn er gewoon afgeknipt. Het oppervlak is al erg glad en hoeft dus niet verder afgewerkt te worden.

Om de gietstukken voor te bereiden op het lamineerproces, moet een lossingsmiddel worden aangebracht. Dit helpt ervoor te zorgen dat er geen film van metaal achterblijft aan de binnenkant van het afgewerkte onderdeel. Hoewel het niet essentieel is, kan het lossingsmiddel ervoor zorgen dat het metaal netjes loslaat en een gladde binnenkant achterlaat. Proefondervindelijk is gebleken dat het beste lossingsmiddel PVA is. Het wordt gewoon in een gelijkmatige laag over het hele oppervlak aangebracht en vervolgens gedroogd.

Voor dit project wordt het XC130 pre-preg systeem gebruikt. Voor de inductiebuis wordt een enkele laag van het XC130 210g doek gebruikt en voor de draagarm wordt de XC130 210g gebruikt evenals meerdere lagen van het XC130 UD doek. Pre-preg is een vorm van koolstof of glasweefsel dat vooraf is geïmpregneerd met hars. Deze harsen blijven weken of soms maanden ongehard bij kamertemperatuur en harden dan in een paar uur uit in een oven. Meer informatie over het verwerken van pre-preg materialen is te vinden in andere video's die we over dit proces hebben gemaakt.

Er worden sjablonen gebruikt om de stukken pre-preg te snijden voor het lamineerproces en de stukken worden gesneden en voorbereid om te lamineren voor zowel de inductiebuis als de wishbone. De vorm hoeft hiervoor niet al te precies te zijn, omdat de laatste afwerking wordt gedaan als de pre-preg op de doorn wordt gelegd.

Voor de inductiebuis wordt slechts één laag van 210 g gebruikt om het gewicht tot een minimum te beperken. Eerst wordt de ene helft op de doorn gelegd en bijgesneden, dan wordt de tweede helft aan de andere kant gelegd en vervolgens voorzichtig bijgesneden en stevig op zijn plaats geperst.

Pre-pregs zijn ideaal voor dit soort processen vanwege hun kleverige aard en hogere temperatuurbestendigheid. Het is technisch mogelijk om dit proces uit te voeren met een natte lay-up en harsen, maar over het algemeen hebben dergelijke harssystemen niet de vereiste temperatuurbestendigheid voor het uitsmeltproces, waardoor de voorkeur uitgaat naar pre-pregs.

Voor de draagarm begint het proces met een laag XC130 210 doek en vervolgens met extra lagen XC130 UD. De draagarm is voor een ligfietsproject, dus de lay-up lijkt meer op die van een fietsframe dan je zou verwachten van een draagarm voor een auto. Het aanbrengen van de pre-preg wordt aanzienlijk vergemakkelijkt door het gebruik van pre-preg dibber tools om ervoor te zorgen dat het laminaat volledig wordt geconsolideerd in krappe hoeken en vormen. Bij moeilijke vormen kan de pre-preg worden gesneden en overlapt om volledige dekking en consolidatie te garanderen.

Meerdere lagen uni-directionele vezels worden toegevoegd om de wishbone te versterken voordat een laatste laag van de XC130 210g wordt toegevoegd. Het is gebruikelijk om Uni-directionele stoffen te combineren met een geweven doek omwille van de duurzaamheid. UD-weefsels zijn gevoelig voor splijten, vooral als ze over langere lengtes worden gebruikt, dus de geweven stof helpt om die unidirectionele stoffen te beschermen en bij elkaar te houden.

In dit stadium worden twee verschillende consolidatiemethoden gebruikt. Voor de inductiebuis is de krimpbandmethode perfect. Voor de draagarm zou de krimpbandmethode niet werken vanwege de complexe vorm en details. In dit geval wordt een conventioneler vacuümverpakkingsproces gebruikt.

Bij de inductiebuis wordt de krimptape aangebracht voor de consolidatie. Met krimptape moet een redelijk spanningsniveau worden gehandhaafd en bij elke omwenteling slechts ongeveer 3 mm vooruit worden gegaan. Eenmaal volledig omwikkeld, kan het uiteinde van de tape worden vastgezet met wat flash release tape.

Het verpakkingsproces lijkt erg op andere processen met pre-preg, met de uitzondering dat er geen ademende laag wordt gebruikt om het oppervlak van het onderdeel gladder te maken. De ongeperforeerde beschermfolie wordt voorzichtig op de draagarm aangebracht om er zeker van te zijn dat het oppervlak goed bedekt is. Kleine kreukjes zijn geen probleem omdat harsresten tijdens het afwerkingsproces gemakkelijk kunnen worden verwijderd.

Vervolgens wordt er een vacuümzak gemaakt met onze VB160 folie en ST150 gomdichtingsband. Er wordt een kleine hoeveelheid breather onder de doorvoerconnector geplaatst, de draagarm wordt in de zak geplaatst en de zak wordt vervolgens geseald. Er wordt vacuüm getrokken en er wordt een lektest uitgevoerd om er zeker van te zijn dat de zak goed is.

Beide onderdelen worden in de OV301 Composites Curing Oven geplaatst en vervolgens wordt de initiële uitharding gedaan bij 80°C gedurende enkele uren. De uithardingscyclus kan variëren afhankelijk van de specifieke pre-preg die je gebruikt, dus we raden aan de specifieke documentatie over de pre-preg te raadplegen. Zodra de onderdelen zijn uitgehard, worden de vacuümzak en de krimptape verwijderd.

In dit stadium is het tijd om de kern uit te smelten. Met behulp van een laboratoriumstandaard of iets dergelijks om het onderdeel vast te klemmen en te ondersteunen, kan het terug naar de oven om uit te smelten. In dit stadium is de pre-preg nog niet volledig uitgehard, dus het is belangrijk om de temperatuur geleidelijk te verhogen om te voorkomen dat de hars in de pre-preg te zacht wordt. In dit geval gebruiken we de XC130 post-uithardingscyclus voor het uitsmelten.

De Cure-cyclus gaat tot 130°C, dus als de LM95 95°C bereikt, begint hij te smelten. Omdat de legering de neiging heeft om eerst aan de bovenkant te smelten, kan dit leiden tot een behoorlijk dramatische smelt wanneer de onderkant uiteindelijk smelt en de legering er in één keer uitvalt. In sommige industrieën wordt een heet oliebad gebruikt voor het uitsmelten, maar over het algemeen is een eenvoudig uitsmelten in de oven praktischer.

Nu de legering eruit gesmolten is, zijn de onderdelen zowel licht als sterk. Bij de inductiebuis zit er nog een klein beetje metaal aan de binnenkant. Door het PVA lossingsmiddel kan de buis in een waterbad worden geplaatst om de PVA-coating zachter te maken.

De wishbone heeft een enigszins ruwe buitenkant door de aard van het verpakkingsproces. Met korrel 120 worden de hoge plekken op het oppervlak afgevlakt. Het is niet nodig om het hele oppervlak vlak te maken. Het doel is om de hoge vlekken en vlampatronen te verwijderen en een goede ondergrond voor de harscoating te creëren. De meeste vlakke oppervlakken kunnen snel vlak worden gemaakt met een DA-schuurmachine en de fijnere details kunnen met de hand worden geschuurd. Het proces duurde slechts ongeveer 5 minuten.

De draagarm wordt schoongemaakt met een snelle veeg aceton. Daarna wordt een kleine hoeveelheid XCR gemengd en op de draagarm aangebracht. Het doel is om een gelijkmatige dikke laag aan te brengen, maar niet zo dik dat de hars van het oppervlak afloopt. Eventuele druppels kunnen worden verwijderd met de kwast. Laat de draagarm vervolgens 2-3 uur rusten om de B-fase van uitharding te bereiken, die stevig maar nog steeds kleverig is. Op dezelfde manier worden nog 2 lagen aangebracht, in totaal dus 3 lagen. Daarna laat je het onderdeel volledig uitharden.

Het deel wordt nu gevlakt, te beginnen met schuurpapier korrel 240 voordat wordt overgegaan op een fijner schuurpapier korrel 400. Dit kan opnieuw worden gedaan met een DA-schuurmachine, waarbij fijne details met de hand worden afgewerkt. Het doel is om een volledig vlak en glad oppervlak te krijgen. Zorg ervoor dat je niet in het koolstof eronder breekt, hoewel kleine doorbraken net op het oppervlak prima moeten zijn. De wishbone wordt afgewerkt met een enkele laag Fantom Clear satijnen blanke lak. Als een glanzende afwerking nodig is, kan een dunne laatste kwastlaag van de XCR hars worden aangebracht.

Nu de verf op de draagarm aan het drogen is, is dit het ideale moment om de inductiebuis af te werken die geweekt heeft om de PVA los te maken. De metaalresten kunnen nu worden verwijderd met een borstel aan de binnenkant van de buis. Het waterbad kan worden gebruikt om veel onderdelen te reinigen voordat het water moet worden afgevoerd - bij voorkeur door verdamping - voordat de metaalresten worden teruggewonnen. Dergelijke resten mogen niet in de afvoer worden gegoten. Vervolgens worden de uiteinden met een schuurblokje afgewerkt en is het onderdeel klaar.

Zodra de blanke lak is opgedroogd, is ook de draagarm compleet. De combinatie van de XCR coatinghars en de Phantom Clear heeft een hoogwaardige afwerking opgeleverd die moeilijk te onderscheiden is van de afwerking van een onderdeel dat gemaakt is met een 2-delig gesloten spuitgietproduct.