MAGIT量产—气体注射成型技术确立压铸行业新标准

作者：MARCELOPDELAAK

在压铸工艺过程中，MAGIT工艺（镁铝合金气体注射成型技术）通过在充型过程结束后将气体立即注入熔体可制造出中空结构。该技术基于塑料注塑成型领域已确立的气体注射成型技术，并针对金属熔体（尤其是铝）的应用进行了进一步开发。

在压铸工艺中直接制造空心结构具有显著优势。首先，最突出的优势在于，可以减少材料用量，从而带来经济效益，在构件机械或设计要求较高时尤为如此。同时，由于无需进行前道和后道加工步骤，例如使用摩擦搅拌焊接或在无型芯工艺中所需的加工步骤，该技术还可以节省一部分成本和能源。其另一项技术附加值在于，可以将介质通道直接集成到构件中。这些中空结构特别适合用于热传递应用，例如在电力电子设备壳体领域的应用，如交直流转换器，该转换器既可以显著减轻重量，又可以提高冷却效率。冷却介质通过的曲折通道，在压铸过程中通过在充型过程结束后立即将气体注入到熔体中而完全形成。

除了减少凹痕和降低孔隙率等其他结构优势外，该工艺不仅可以为结构复杂、厚壁构件提供新的设计自由空间，还能缩短周期时间。以前在气体喷射器开发方面存在的磨损、堵塞和耐热性等问题现已得到解决。目前的喷射器具有足够的使用寿命，并满足压铸工艺的环境要求。我们的目标是将该工艺应用于批量化压铸生产。

气体注射成型技术发展史

气体注射成型技术（GIT）是源自塑料技术领域的一种久经考验的特殊工艺，它拥有悠久的历史（图1）。早在1938年，该技术就已在专利法中被提及。当时，为了在大量堆积的区域将柔软或仍处于液态的材料有针对性地挤压到其他成型区域，人们首次提到了注入惰性气体（通常是氮气）的方法。

20世纪70年代末，GIT经历了重大发展，当时日本朝日（Asahi）集团提交了大量专利申请，而这些专利申请涵盖了塑料注塑成型领域多项关于气体注入的应用，这为工业应用奠定了基础。20世纪90年代末，亚琛塑料加工研究所(IKV)开发了水注射成型技术（WIT），这是一种类似工艺，在这种工艺中，人们用水代替气体作为注入介质。该技术的目标是通过空腔形成和高效内部冷却的综合作用，进一步提高构件的质量和功能性。特别值得一提的是，由TiK塑料技术有限公司（TiK-TechnologieinKunststoffGmbH）开发的TiK-WIT工艺是介质输送通道系统批量生产的基础。2005年，首批采用该技术的构件已投入批量生产。

2004年，阿伦应用技术大学的Prof.Dr.-Ing.Kallien将GIT技术应用到了金属压铸工艺中。首篇博士论文记录了将科学基础和实际应用引入到这一全新应用中。2017年，TiK塑料技术有限公司（TiK-TechnologieinKunststoffGmbH）开始进一步开发用于压铸的气体注射成型技术。在ZIM资助项目ZF4173501KO5框架下，人们以MAGIT为品牌名称开发和实现了首套用于GIT压铸中的的预生产设备。在欧盟资助项目H2020-EIC-FTI-2018-2020（资助协议号950866）框架内，最终实现了一个重要的里程碑。TiK公司通过与阿伦应用技术大学、阿卢瓦格股份公司（AluwagAG）和Surtechno公司密切合作，进一步开发了系统技术和注射器部件，并使其达到可量产的水平。许多应用实例以令人信服的方式证明了该工艺的技术可行性和优势（图2）。

气体注射成型技术及其在压铸中的应用

在气体注入技术（GIT）被广泛应用于塑料领域（图3）的几十年时间里，主要形成了两种注射工艺：

气体注入形成空腔和收缩补偿

在此过程中，气体被注入构件的多个区域。它将熔体挤入最后的成型区域，同时产生内部气压，气压在厚壁区域补偿了凝固过程中发生收缩。这种所谓的气体保压压力取代了传统熔体保压压力的功能（图4）。

中空型腔注射成型工艺

在使用此工艺的情况下，模具中额外设计了一个在充模过程中保持封闭状态的型腔结构。在完全填充过程结束后，该型腔被打开，作为排气空间，气体将仍处于液态的熔体推入其中。

如今，这两种工艺也被应用在了金属铸造领域。在铸造过程中，气体注入可形成几乎无孔的结构。在MA-GIT工艺中，中空型腔的工作过程见（图5）。

该过程与塑料注塑成型基本相同：

1、首先，将熔体进行定量分配，并完成铸型的完全填充。

2、在短暂的保压或冷却阶段，浇口完全凝固。

3、气体注入在精确的时间点开始，注射器刺穿凝固的边缘层。

4、气体通过环形缝隙注入构件内部，开始将熔体向打开的中空型腔方向挤压。

5、在冷却过程中，用于清空和后续加压的气体压力使空腔变得稳定。

6、构件加工完成。

在MAGIT工艺中，在计量和完全充模过程结束后，会进行短暂的保压阶段。该阶段的结束将触发气体注入过程。注射器类似于挤压销，穿透凝固的边缘层进入构件。气体通过环形缝隙流入构件内部，形成气流。接着，一个锁止滑阀打开中空型腔，剩余的熔体被挤入其中。在冷却过程中，气体压力稳定了空腔结构。精确的时机至关重要。在MAGIT工艺中，气体注入过程必须在几百毫秒内完成，而在塑料领域，通常有几秒钟的时间（图6）。

结构自由度和成本效益

通过将结构自由度与集成功能设计相结合，MAGIT工艺可根据构件和应用实现高达20%的成本节约。一个重要的效率杠杆是去掉额外的连接工艺和单个零件。以前需要盖子、密封件、螺钉甚至工业连接工艺（如摩擦搅拌焊接）的位置现在仅需一个功能齐全的压铸件（例如直接集成冷却通道）即可。这不仅降低了生产成本和组装成本，还显著减轻了构件重量。与此同时，这种重量的减轻带来了多重积极影响：

1、减少材料使用量，

2、降低能耗，

3、降低物流成本。

不仅降低了二氧化碳排放量，而且使整个生产过程更能节约资源、更高效。该工艺在生产方面也以其简单性而令人信服：

1、除标准压铸单元外，仅需一个可轻松集成到工艺中的紧凑型气体注入装置装置。

2、铸模中只需一个注射器和一个中空型腔模块。

3、后处理过程仅限于打开通道末端，该步骤可被集成到常规加工流程中。

4、根据要求，还可以进行100%的耐压测试，以确保冷却通道的功能性，否则将通过称重构件来确保工艺在重量方面的稳定性和质量。

由于设计自由度高，冷却通道可以精确适应相应结构，并优化气流设计。这样不仅可以显著提高热传递效率，提高能源效率，并提高最终产品的功率密度，对安装空间有限的应用而言，这是一个明显的优势。

除了汽车制造之外，该工艺还开辟了新的可能性。在家具领域或高端消费品和工业品领域，该工艺在功能和设计方面都提供了真正的附加值。椅子底架、扶手、桌子架、门窗把手等以往采用实心设计的部件，现在可以采用中空且高强度的设计。这样，在保持稳定性不变甚至部分提高稳定性的同时，不仅减轻了重量，还显著减少了材料的使用量。

高度的设计自由度尤其体现于设计方面（例如配件）。流畅的过渡、符合人体工程学的形状或有机感强的结构，无需后续的接合或加工步骤，即可直接在铸件中体现出来。技术功能，如隐藏式紧固件、裂隙或管线和通道通道，也可以集成到构件中。

DC-DC转换器散热器

自2024年以来，TiK塑料技术有限公司（TiK-TechnologieinKunststoffGmbH）与博世（Bosch）公司和压铸厂Bock1合作，致力于开发一种DC-DC转换器散热器，该产品已通过替代技术的方式被投入到批量生产中（图7）。通过一个量产零件的例子，可以看出MAGIT工艺不仅具有成本优势，同时还能带来技术附加值。

迄今为止，该量产构件目前采用的是被用作电力电子设备冷却通道的嵌入式铝管制造。以往必须先对这种铝管进行弯曲和校准，然后将其才能嵌入到铝壳中。这一工艺不仅会造成高昂的物流和成本支出，还存在功能上的弊端，限制了构件的性能。气体注射压铸成型技术明显示出了该工艺的潜力：

1、可重复性和批量生产性，

2、每个构件重量可减轻250克，

3、节省约20%的成本（图8）。

从热力学角度来看，新设计也具有优势。对量产构件而言，粘合剂的隔热特性会阻碍热传递，而如今，设计自由度允许将冷却通道设计成符合流体动力学原理，并精确地适应热传递条件。在冷却台领域，通道被压平并拓宽，从而扩大了传热面积，缩短了与冷却介质的距离。结果是散热能力得到显著提高，在缩小安装空间的同时实现了更高的功率密度（图9）。

构件的结构设计挑战

人们必须对现有的量产构件进行彻底改造，以实现直接集成在铸件中的冷却通道，而不是后续嵌入式的管道。核心要求是有效冷却两个承受高热负荷的功率元件表面。冷却通道必须尽可能覆盖这些表面，且不得改变其位置。此外，通道入口和出口的位置也保持不变。所有对构件功能至关重要的几何形状都不得受到影响。为了使用MAGIT技术实现气体注入，需要进行有针对性的调整：

沿通道优化材料：去除不需要的肋条或将其挖空。对局部材料堆积进行了调整，以防止气体在注入和冷却过程中进入非需要区域。

气体制动器：有针对性地缩小特定位置的壁厚，以促进受控凝固。这样可以防止注入的气体进入不需要的区域（图10）。

流畅的通道设计。冷却通道采用三维模型设计，需要多次改变横截面。同时，根据规格要求考虑了最大允许压力损失。

模拟与工艺优化：通过多次模拟，确定并消除了潜在的热点，并设计了最佳的浇铸工艺和模具设计方案。除了填充和凝固外，还模拟了气道形成过程（图11）。

模具的结构设计挑战

在变更和优化了构件的几何形状后，必须设计出能够实现铸造和气体注入工艺之间最佳平衡的模具。此外，还必须确保气体注入所需的模具部件能够得到正确定位。模具设计的目的是尽可能快速、轻松地实现所有技术部件，以便在工艺确定过程中，通过不同的副型腔几何形状对工艺产生积极影响。相应的工具插件可以在无需拆卸工具的情况下完成更换（图12）。

构件定位：为此，首先确定了构件在模具中的最佳位置，并选择了注射器和中空型腔的位置，以便能够尽可能地从上到下顺应重力进行注射。

浇口和凝固管理：浇口系统必须确保最佳填充，并及时凝固，以使注入的气体和熔体压力（在第3阶段）不会相互影响甚至干扰。为此，也应用了上述模拟技术。

注射器和可变化中空型腔：在开发压铸模具时，除了热设计外，还采用了用于注入气体的特殊喷射单元，以及用于打开尺寸可变的中空型腔的滑块单元，以容纳气体通道排出的体积。

结论与展望

MAGIT工艺（图13）能够显著降低成本，对于集成媒介管道的应用尤其如此，并能减少制造压铸构件所需的资源和能源，从而降低二氧化碳排放量。制造的构件在热效率方面可以被设计得更高效，从而能够制造出更小、更轻、性能更强的构件。

使用其他金属（例如铜）进行的初步试验表明，该工艺也适用于低压铸造和硬模铸造（图14）。一方面，这样可以再次节省大量材料，另一方面，MAGIT工艺能够完全补偿体积收缩，从而显著改善金属结构。