Zasadnicza różnica polega na tym, w jaki sposób stopione aluminium jest wtłaczane do formy: odlewanie pod wysokim ciśnieniem (HPDC) wykorzystuje ciśnienie wtrysku 10–175 MPa do wypełnienia wnęki w ciągu milisekund , przy niskim ciśnieniu odlewanie ciśnieniowe (LPDC) opiera się na kontrolowanym ciśnieniu gazu 0,02–0,1 MPa, a odlewanie ciśnieniowe grawitacyjne (GDC) w ogóle nie wykorzystuje ciśnienia zewnętrznego, a jedynie ciężar metalu. Te różnice w podstawach procesu przekładają się na różne wyniki w zakresie szybkości, złożoności części, właściwości mechanicznych i kosztów.
Zrozumienie mechaniki fizycznej wyjaśnia, dlaczego każda metoda nadaje się do różnych zastosowań.
Roztopione aluminium jest wtryskiwane do matrycy ze stali hartowanej w temp prędkości 30–100 m/s za pomocą tłoka hydraulicznego. Metal wypełnia wnękę w ciągu 10–100 milisekund i twardnieje pod długotrwałym ciśnieniem. Istnieją dwa warianty: komora gorąca (dla stopów o niskiej temperaturze topnienia) i komora zimna (standard dla aluminium). Czasy cykli biegną tak szybko, jak 15–60 sekund na część .
Pod matrycą znajduje się uszczelniony piec. Gaz pod ciśnieniem (zwykle 0,02–0,1 MPa) wypycha metal w górę przez rurę wznośną do gniazda formy. Powolne, kontrolowane napełnianie minimalizuje turbulencje, co powoduje niska porowatość gazu i doskonała szczelność wewnętrzna . Czasy cykli są dłuższe — zazwyczaj 3–8 minut na część.
GDC, zwane także odlewaniem trwałym, wlewa grawitacyjnie stopione aluminium bezpośrednio do metalowej formy wielokrotnego użytku, bez wywierania nacisku. Wypełnianie jest powolne i delikatne, dzięki czemu proces ten jest idealny w przypadku grubościennych części o krytycznym znaczeniu konstrukcyjnym. To najprostsza konfiguracja, z koszty oprzyrządowania są o 30–50% niższe niż w przypadku HPDC dla porównywalnych rozmiarów części.
Poniższa tabela przedstawia metryki najbardziej istotne dla decyzji we wszystkich trzech metodach.
| Parametr | Wysokie ciśnienie (HPDC) | Niskie ciśnienie (LPDC) | Grawitacja (GDC) |
|---|---|---|---|
| Ciśnienie wtrysku | 10–175 MPa | 0,02–0,1 MPa | Brak (tylko grawitacja) |
| Czas cyklu | 15–60 sek | 3–8 min | 3–10 minut |
| Minimalna grubość ścianki | 0,5–1,0 mm | 2–3 mm | 3–5 mm |
| Wykończenie powierzchni (Ra) | 0,8–1,6 µm | 1,6–3,2 µm | 3,2–6,3 μm |
| Poziom porowatości | Wyższa (uwięzienie gazu) | Niski | Niski–Średni |
| Spawalność / obróbka cieplna | Ograniczona (porowatość) | Tak | Tak |
| Koszt oprzyrządowania (względny) | Wysoka (50–250 tys. USD) | Średni | Niskiest |
| Optymalna wielkość produkcji | 50 000–1 mln części | 5 000–100 000 części | 500–50 000 części |
| Tolerancja wymiarowa (klasa IT) | IT8–IT10 | IT10–IT12 | IT12–IT14 |
Wysoka prędkość wtrysku HPDC umożliwia wypełnianie skomplikowanych ubytków o grubości ścianek tak cienkich jak 0,5 mm — możliwości nieporównywalne z pozostałymi dwiema metodami. Obudowy przekładni samochodowych, półki na akumulatory pojazdów elektrycznych i ramy smartfonów opierają się na tej zdolności do wytwarzania cienkich, złożonych geometrii na dużą skalę.
LPDC jest preferowane tam, gdzie złożoność jest umiarkowana, ale krytyczna jest integralność wewnętrzna. Aluminiowe felgi samochodowe — jedno z zastosowań LPDC o największej liczbie zastosowań — wymagają niska porowatość i spójna mikrostruktura jakie zapewnia kontrolowany stopień wypełnienia, w połączeniu ze ścianami, które mają zazwyczaj 3 mm lub grubsze.
GDC dobrze radzi sobie z najgrubszymi przekrojami. Głowice cylindrów silnika i kolektory dolotowe są powszechnymi częściami GDC, gdzie normalna grubość ścianek wynosi 5–10 mm, a wolniejsze krzepnięcie w rzeczywistości poprawia strukturę ziaren i podatność na obróbkę mechaniczną.
Części HPDC mają drobnoziarnistą strukturę w pobliżu powierzchni ze względu na szybkie krzepnięcie, co zwykle zapewnia dobrą wytrzymałość na rozciąganie 240–310 MPa UTS do typowych stopów, takich jak A380. Jednakże wewnętrzna porowatość gazu wynikająca z turbulentnego wypełnienia ogranicza plastyczność i sprawia, że obróbka cieplna jest ryzykowna (mogą tworzyć się pęcherze).
Zarówno LPDC, jak i GDC umożliwiają obróbkę cieplną T6 (sztuczne starzenie metodą obróbki cieplnej w roztworze), zwiększając wytrzymałość na rozciąganie 280–330 MPa przy wydłużeniach 5–12% w stopach takich jak A356-T6. To sprawia, że są one preferowaną metodą w przypadku obciążonych strukturalnie części układów zawieszenia, zwrotnic i wsporników lotniczych.
| Proces | Wspólny stop | UTS (MPa) | Granica plastyczności (MPa) | Wydłużenie (%) |
|---|---|---|---|---|
| HPDC | A380 | 240–310 | 160–170 | 1–3,5 |
| LPDC (T6) | A356-T6 | 280–310 | 200–240 | 6–12 |
| GDC (T6) | A356-T6 | 275–310 | 195–235 | 5–10 |
Narzędzia HPDC są drogie — matryca produkcyjna do części samochodowych o średniej złożoności zazwyczaj kosztuje 80 000–200 000 dolarów i jest przeznaczony na 100 000–500 000 strzałów. Ten koszt początkowy ma sens ekonomiczny tylko wtedy, gdy jest amortyzowany w dużych ilościach. Przy 500 000 części koszt oprzyrządowania na część spada do zaledwie 0,16–0,40 USD.
Formy GDC, często wykonane z żeliwa lub stali miękkiej, kosztują 30–50% mniej niż równoważne matryce HPDC i dobrze nadają się do prototypów lub niskonakładowych serii produkcyjnych obejmujących 500–10 000 części. Oprzyrządowanie LPDC zazwyczaj mieści się pomiędzy 30 000–100 000 dolarów , uzasadnione branżą kół i elementów konstrukcyjnych, produkującą partie 20 000–80 000 sztuk rocznie.
Każda metoda wyodrębniła odrębną niszę zastosowań w oparciu o te kompromisy.
Ramy decyzyjne są proste po zdefiniowaniu wymagań aplikacji:
HPDC wspomagane próżniowo coraz częściej wypełnia tę lukę — opróżniając wnękę matrycy przed wtryskiem, porowatość gazu znacznie spada, umożliwiając obróbkę T5 lub T6 na częściach odlewanych pod wysokim ciśnieniem. Ten wariant jest obecnie szeroko stosowany w konstrukcyjnych elementach samochodowych, takich jak wieże amortyzatorów i białe elementy nadwozia, gdzie potrzebne są jednocześnie cienkie ściany i możliwość obróbki cieplnej.
