太陽能熱水器面板框架：框架尺寸和斷面

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

改變生產工藝的主要原因是由于壓鑄件比焊接件具有較長壽命和更為堅固。由于屋頂組裝的框架須承受較大的溫度變化，這會導致焊接框架的焊縫開裂。而且，濕氣會滲透框架并損壞吸收層。最終，導致巨大的能效損失。然而壓鑄框架沒有這樣的缺點，因此更為健全。與此同時，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，重量僅為6公斤，該生產是一個巨大的挑戰。

一開始，DGS提出了框架設計和鑄造概念。從一開始就認識并考慮到關鍵的制造問題。嚴格的尺寸公差和絕對的平面度是強制性要求，以保證窗玻璃的組裝。與此同時，還要求管道連接的尺寸穩定性。為了確保僅僅5毫米的厚度能獲得規定的機械性能和剛度，所以有必要進行早期材料性能分析和優化。

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

初始設計的變形分析（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設計和鑄件參數可能組合的可比較和可靠的結果。DGS的項目管理領導者 Axel Schmidt記得那些最關鍵的問題：“該鑄件數米長的流動長度能夠被完全填充嗎？完全填充需要多長填充時間？如果充型金屬流前端在金屬流動2到3米后再匯聚會發生什么？我們必須在早期就回答這些問題，以研究出節約成本和有效利用資源的方法，引導項目獲得成功”。開始階段，開發出采用兩個澆口區域的設計方案，并采用MAGMASOFT®進行了評估，考察了諸如“流動長度”、“充型溫度”和“材料追蹤”等不同的質量標準。正如結果所示，解決框架變形問題是最具挑戰性的任務。

第一次模擬結果表明，在采用初始澆口設計方案的情況下，框架縱向變形最大9毫米，橫向變形最大為5毫米 ——該結果遠遠滿足不了客戶的要求。形勢非常嚴峻， DGS團隊的唯一選擇只能是重新設計澆注系統。專家再一次采用 MAGMASOFT®進一步核查了基于經驗的選項。按照DGS的經驗，MAGMASOFT®是他們項目滿足交貨時間，同時確保生產工藝成功的關鍵因素。

最終他們成功找到了解決方案：即設計出在四個角設置內澆口（內澆口數量合計為20個）的一套澆注系統。Axel Schmidt 簡要概括道：“要設計出框架變形最小的設計方案，MAGMASOFT®發揮了關鍵作用。快速并及早測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計澆注系統，使其對鑄件施加的應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，同時盡量減少其它鑄造缺陷。‘材料追蹤’結果使得我們可以檢查金屬流的均衡流動。當然，‘變形’結果被用于極為詳細地分析零件的變形，并記錄和討論每個設計修改的效果。”

接下來，修正后的鑄造工藝方案將應用到實際生產中。鑲件和冷卻管路的設計和布局是未定的重大任務。DGS團隊再一次采用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，模型設計完成，并及時投入鑄造和生產。如今，他們的產品是兩個主要太陽能集能器制造商必不可少的部分。

左：最終澆注系統設計：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間和成本的嚴格要求，成功生產出此框架產品。生產中不需要進行任何工藝變更。今天，盡管壓鑄金屬液重量為24公斤，但是獲得部件重量僅為6.3公斤，充型時間僅為40毫秒，我們生產出的框架沒有大的變形。此項目不僅取得經濟上的成功，而且是DGS革新能力的最新證明。”

同時，DGS正在大量開發客戶所需的新的壓鑄件。DGS團隊利用MAGMASOFT®進行虛擬試驗和探索自動優化的新的可能性，MAGMASOFT®對找出穩健的工藝條件和對虛擬試驗設計的評估提供積極的幫助，成為他們基于經驗工作的很好補充。DGS將繼續采用MAGMASOFT®來發掘更多時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達900多人。自1950年創建以來，公司通過其自身技術和制造實力和毫不妥協的可靠性，確立其在客戶價值鏈中最具權威的系統供應商的地位（這些客戶主要在汽車行業）。DGS通過了 ISO TS 16949、 ISO 14001和OHSAS 18001認證。除了其制造能力外，DGS是一家服務于其客戶的重要開發伙伴，專門致力于材料和工藝開發。