太陽能熱水器面板框架：框架尺寸和斷面

太陽每個(gè)小時(shí)向地球輻射的能量足以滿足全世界人口一年的能源需求。為了更好地開發(fā)利用太陽能， DGS Druckguss Systeme AG公司（瑞士）的St. Gallen生產(chǎn)了太陽能熱水器面板框架，他們已經(jīng)將這些框架從焊接擠壓成型件改變?yōu)殇X壓鑄件。

改變生產(chǎn)工藝的主要原因是由于壓鑄件比焊接件具有較長(zhǎng)壽命和更為堅(jiān)固。由于屋頂組裝的框架須承受較大的溫度變化，這會(huì)導(dǎo)致焊接框架的焊縫開裂。而且，濕氣會(huì)滲透框架并損壞吸收層。最終，導(dǎo)致巨大的能效損失。然而壓鑄框架沒有這樣的缺點(diǎn)，因此更為健全。與此同時(shí)，框架必須全面滿足：保證至少20年的耐腐蝕性、高尺寸精度和穩(wěn)定性、較輕的重量和最低的制造成本。此框架尺寸為2,050 x 1,230 x 50毫米，重量?jī)H為6公斤，該生產(chǎn)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

一開始，DGS提出了框架設(shè)計(jì)和鑄造概念。從一開始就認(rèn)識(shí)并考慮到關(guān)鍵的制造問題。嚴(yán)格的尺寸公差和絕對(duì)的平面度是強(qiáng)制性要求，以保證窗玻璃的組裝。與此同時(shí)，還要求管道連接的尺寸穩(wěn)定性。為了確保僅僅5毫米的厚度能獲得規(guī)定的機(jī)械性能和剛度，所以有必要進(jìn)行早期材料性能分析和優(yōu)化。

選用具有良好可鑄性和高強(qiáng)度的AlSi10MgMnSr作為鑄造材料。在徹底評(píng)估后，工程師們確定了單件無支撐的框架設(shè)計(jì)，具有Z形框架斷面的特點(diǎn)。

初始設(shè)計(jì)的變形分析（放大20倍；左：垂直，右：水平）

高壓壓鑄工藝本身的布局要求尤為苛刻。早期就必須得出針對(duì)設(shè)計(jì)和鑄件參數(shù)可能組合的可比較和可靠的結(jié)果。DGS的項(xiàng)目管理領(lǐng)導(dǎo)者 Axel Schmidt記得那些最關(guān)鍵的問題：“該鑄件數(shù)米長(zhǎng)的流動(dòng)長(zhǎng)度能夠被完全填充嗎？完全填充需要多長(zhǎng)填充時(shí)間？如果充型金屬流前端在金屬流動(dòng)2到3米后再匯聚會(huì)發(fā)生什么？我們必須在早期就回答這些問題，以研究出節(jié)約成本和有效利用資源的方法，引導(dǎo)項(xiàng)目獲得成功”。開始階段，開發(fā)出采用兩個(gè)澆口區(qū)域的設(shè)計(jì)方案，并采用MAGMASOFT®進(jìn)行了評(píng)估，考察了諸如“流動(dòng)長(zhǎng)度”、“充型溫度”和“材料追蹤”等不同的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。正如結(jié)果所示，解決框架變形問題是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

第一次模擬結(jié)果表明，在采用初始澆口設(shè)計(jì)方案的情況下，框架縱向變形最大9毫米，橫向變形最大為5毫米 ——該結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了客戶的要求。形勢(shì)非常嚴(yán)峻， DGS團(tuán)隊(duì)的唯一選擇只能是重新設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。專家再一次采用 MAGMASOFT®進(jìn)一步核查了基于經(jīng)驗(yàn)的選項(xiàng)。按照DGS的經(jīng)驗(yàn)，MAGMASOFT®是他們項(xiàng)目滿足交貨時(shí)間，同時(shí)確保生產(chǎn)工藝成功的關(guān)鍵因素。

最終他們成功找到了解決方案：即設(shè)計(jì)出在四個(gè)角設(shè)置內(nèi)澆口（內(nèi)澆口數(shù)量合計(jì)為20個(gè)）的一套澆注系統(tǒng)。Axel Schmidt 簡(jiǎn)要概括道：“要設(shè)計(jì)出框架變形最小的設(shè)計(jì)方案，MAGMASOFT®發(fā)揮了關(guān)鍵作用。快速并及早測(cè)出不同的變化是非常有必要的，這使得我們能夠采用合適方法設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，使其對(duì)鑄件施加的應(yīng)力盡可能降低到最小。采用該方法，我們可以完全避免任何重大變形，同時(shí)盡量減少其它鑄造缺陷。‘材料追蹤’結(jié)果使得我們可以檢查金屬流的均衡流動(dòng)。當(dāng)然，‘變形’結(jié)果被用于極為詳細(xì)地分析零件的變形，并記錄和討論每個(gè)設(shè)計(jì)修改的效果。”

接下來，修正后的鑄造工藝方案將應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。鑲件和冷卻管路的設(shè)計(jì)和布局是未定的重大任務(wù)。DGS團(tuán)隊(duì)再一次采用MAGMASOFT® 制定出10倍分隔后的壓鑄模半模的冷卻方案。兩個(gè)半模重量為14.1噸和20.3噸，最終確定鑄件的特殊尺寸和冷卻要求。最后，模型設(shè)計(jì)完成，并及時(shí)投入鑄造和生產(chǎn)。如今，他們的產(chǎn)品是兩個(gè)主要太陽能集能器制造商必不可少的部分。

左：最終澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)：填充后的溫度分布；右：廢品

Axel Schmidt：“采用MAGMASOFT®，我們從一開始就按照時(shí)間和成本的嚴(yán)格要求，成功生產(chǎn)出此框架產(chǎn)品。生產(chǎn)中不需要進(jìn)行任何工藝變更。今天，盡管壓鑄金屬液重量為24公斤，但是獲得部件重量?jī)H為6.3公斤，充型時(shí)間僅為40毫秒，我們生產(chǎn)出的框架沒有大的變形。此項(xiàng)目不僅取得經(jīng)濟(jì)上的成功，而且是DGS革新能力的最新證明。”

同時(shí)，DGS正在大量開發(fā)客戶所需的新的壓鑄件。DGS團(tuán)隊(duì)利用MAGMASOFT®進(jìn)行虛擬試驗(yàn)和探索自動(dòng)優(yōu)化的新的可能性，MAGMASOFT®對(duì)找出穩(wěn)健的工藝條件和對(duì)虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)的評(píng)估提供積極的幫助，成為他們基于經(jīng)驗(yàn)工作的很好補(bǔ)充。DGS將繼續(xù)采用MAGMASOFT®來發(fā)掘更多時(shí)間和成本方面的潛力。

公司信息

DGS Druckguss Systeme AG是一家鋁、鎂合金壓鑄件的全球性輕合金開發(fā)商和制造商，其在瑞士St. Gallen、捷克共和國Liberec和中國南沙的工廠的雇員總數(shù)達(dá)900多人。自1950年創(chuàng)建以來，公司通過其自身技術(shù)和制造實(shí)力和毫不妥協(xié)的可靠性，確立其在客戶價(jià)值鏈中最具權(quán)威的系統(tǒng)供應(yīng)商的地位（這些客戶主要在汽車行業(yè)）。DGS通過了 ISO TS 16949、 ISO 14001和OHSAS 18001認(rèn)證。除了其制造能力外，DGS是一家服務(wù)于其客戶的重要開發(fā)伙伴，專門致力于材料和工藝開發(fā)。