Gids voor productontwerpers: Leren hoe magnesium en zijn legeringen werken

Als lichtste structurele metaal heeft magnesium aantrekkelijke fysieke en mechanische eigenschappen. Belangrijker nog, het is voor ontwerpers wiens belangrijkste taak het is om iets lichts en sterks te maken. Zijn gietbaarheid, hoge specifieke sterkte en gunstige elektromagnetische afschermingseigenschappen maken zijn legeringen crucialer. De legeringen worden voornamelijk gebruikt in de auto-industrie, ruimtevaart, elektronica en medische apparatuur.

Bovendien maken de natuurlijke beschikbaarheid en recyclebaarheid magnesium tot een duurzaam productontwerp. Het is dus een aantrekkelijke keuze voor milieubewuste fabrikanten. Het vermogen van magnesiumlegeringen om trillingen en geluid te dempen versterkt zelfs de beste toepassingen van dergelijke legeringen. De toepasbaarheid en toepassingen zijn gebruikelijk in behuizingen voor elektronische en mechanische apparatuur. Deze eigenschap verbetert de algemene prestaties voor gebruikers. Het beschermt ook inwendige elementen tegen trillingen van buitenaf.

Met name magnesium kan worden gevormd met minder energieverbruik. Dat kan de productie efficiënter maken met mogelijk minder gereedschapsslijtage bij sommige bewerkingen. Hoewel de initiële materiaalkosten van magnesium meestal hoger zijn dan die van aluminium, zijn factoren als hogere bewerkingssnelheden, langere standtijd bij spuitgieten, en het potentieel voor onderdelenconsolidatie kunnen, in specifieke toepassingen met hoge volumes, sommige van deze kosten compenseren, wat in bepaalde scenario's kan leiden tot concurrerende of zelfs lagere totale productiekosten.

Bovendien stellen de visuele flexibiliteit en taaiheid van magnesium ontwerpers in staat om ongekende grenzen van lichtgewicht ontwerp te bereiken. Het vermogen van de legering om gedetailleerde vormen te coaten en de ontvankelijkheid voor verschillende oppervlakteafwerkingen bepalen de flexibiliteit. Hierdoor kan het voldoen aan zowel functionele als decoratieve eigenschappen.

Naarmate de vraag naar lichte en effectieve goederen toeneemt, neemt ook de voorkeur voor nieuwe lichte materialen toe. Daarnaast is magnesium een steeds relevanter en strategischer materiaal voor productontwerpers die zich richten op lichtgewicht en prestaties.

Belangrijke magnesiumlegeringen voor ontwerpers

De weinig voorkomende toepassing van pure magnesium in de industrie vereist de ontwikkeling van legeringen voor praktische doeleinden. Magnesium wordt gecombineerd met aluminium, zink, mangaan, silicium en zeldzame aardmetalen. Het verbetert de mechanische eigenschappen en verhoogt de corrosiebestendigheid. Hoewel ontwerpers de voorkeur geven aan verschillende legeringen, zoals AZ91D, AM60 en ZK60, hebben ze alle drie duidelijke voordelen die hun doel dienen.

AZ91D is een indrukwekkende magnesiumlegering die geschikter is dan alle andere voor spuitgieten. Het bevat ongeveer 9% aluminium en ongeveer 1% zink. Het heeft superieure corrosieprestaties. Het heeft een hoge sterkte-gewichtsverhouding die vaak wordt toegepast in auto-onderdelen. Andere sectoren zijn behuizing en algemene gegoten producten. Vanwege de stabiele eigenschappen kiezen ontwerpers vaak AZ91D voor lichtgewicht, betrouwbare structurele toepassingen.

AM60 is een magnesium-aluminiumlegering met energieabsorptie en vervormbaarheid en is daarom geschikt voor gebruik in crashonderdelen van auto's, stoelframes en stuurwielen. De hoge vervormbaarheid in AM60 in vergelijking met AZ91D geeft aan dat AM60 meer vervorming kan verdragen voordat het breekt, wat meer veiligheid biedt in de botsingssituatie.

De primaire legeringselementen van ZK60 zijn zink en zirkonium, die de legering een uitstekende sterkte en weerstand tegen vermoeiing geven. Een dergelijke legering wordt meestal toegepast in de ruimtevaart, sportuitrusting en hoogwaardige auto-onderdelen om gewicht te besparen zonder aan structuur in te boeten. In veeleisende mechanische toepassingen met hoge belasting biedt de legering ZK60 een stabiele en effectieve oplossing.

Scenario's voor het gebruik van alternatieve materialen voor magnesium

Hoewel magnesium verschillende voordelen heeft, werkt het niet voor alle fabrikanten. Ontwerpers moeten ook de beperkingen van magnesium inschatten.

Kosten en beschikbaarheid

Materialen op basis van magnesium kunnen in kleine series veel duurder zijn dan kunststoffen of standaard aluminiumlegeringen. Extra beschermlagen of corrosiebeschermende eigenschappen kunnen de totale productiekosten aanzienlijk verhogen. Toepassingen die kosten moeten besparen, geven misschien de voorkeur aan aluminium of polymeermaterialen.

Corrosiegevoeligheid

Magnesium is gevoeliger voor galvanische corrosie. Planning is nodig wanneer het in contact komt met vocht of blootstelling aan zout. Oppervlaktebehandelingen zijn essentieel om ongecontroleerde degradatie van magnesium onderdelen te voorkomen. Anders is roestvrij staal of gecoat aluminium meestal een betrouwbaarder materiaal voor het geval er vocht of ongunstige omstandigheden optreden.

Ontvlambaarheid en verwerkingscomplexiteit

De brandbaarheid van magnesium in zijn deeltjes- en gesmolten toestand verhoogt het risico voor werknemers bij het machinaal bewerken, lassen of gieten. Dit veiligheidsniveau vereist unieke normen en beperkt het gebruik van magnesium tot gecontroleerde productieomgevingen. Bedrijven kiezen meestal voor stabielere materialen, zoals aluminium of titanium, als de fabrieken niet voorbereid zijn op de risico's van magnesiumverwerking.

Magnesium en productieprocessen

Er zijn talloze productiemethoden voor magnesiumlegeringen. De keuze van de productietechniek hangt af van factoren zoals de specifieke legering, de complexiteit van het onderdeel, de vereiste mechanische eigenschappen, het productievolume en kostenoverwegingen. Elke techniek heeft verschillende niveaus om dergelijke unieke eigenschappen en prestaties te optimaliseren. Spuitgieten, smeden (een vorm van warmvervormen), extruderen (een andere vorm van warmvervormen), machinale bewerking en additieve vervaardiging zijn de belangrijkste processen bij de productie van magnesiumlegeringen. Spuitgieten is verreweg de meest standaard methode om magnesium onderdelen te maken. Het vergemakkelijkt de massaproductie van dergelijke onderdelen met nauwkeurige specificaties en een net oppervlak. Het is geschikt voor de productie van auto- en elektronica-onderdelen. Dergelijke onderdelen vereisen een zeer hoge precisie en consistentie. De mechanische prestaties van magnesiumlegeringen zijn effectief door de verfijning van de korrelstructuur. De effectiviteit is ook te danken aan een verhoging van de weerstand tegen vermoeiing door smeden.

Onderdelen van gesmeed magnesium worden veel gebruikt in actieve toepassingen. Hieronder vallen gebieden als lucht- en ruimtevaart en raceauto's, maar ook exclusieve fietsen. Smeden is een effectieve strategie als onderdelen uitzonderlijk sterk en betrouwbaar moeten zijn. Door de lage snijweerstand en zachte aard is magnesium over het algemeen gemakkelijk te bewerken, waardoor hoge snijsnelheden en een goede oppervlakteafwerking mogelijk zijn. Een belangrijke overweging is echter dat magnesiumspanen zeer brandbaar zijn, waardoor strenge brandpreventiemaatregelen nodig zijn. Het bewerken van magnesium vereist speciale ventilatie- en brandbeveiligingsmaatregelen in de productieomgeving. Door gebruik te maken van de juiste veiligheidsprotocollen is het bij machinale bewerking mogelijk om zeer gedetailleerde, op maat gemaakte magnesium onderdelen te maken. Additive Manufacturing biedt een veelbelovende oplossing voor de productie van complexe onderdelen of complexe geometrieën. Additive manufacturing van magnesium wordt steeds meer toegepast bij de productie van onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart. Ook in biomedische onderdelen helpt het om gewicht te verminderen en maakt het het mogelijk om de vorm van objecten aan te passen.

Opties voor oppervlakteafwerking van magnesium

Magnesium is zeer reactief en geschikt voor oppervlakteafwerking. Het doel is om de corrosie- en uiterlijke kenmerken te verbeteren.

Anodiseren

Anodiseren verwijst naar elektrochemische processen die een dikke oxidelaag op magnesium creëren. Het verbetert de corrosiebestendigheid en slijtvastheid van magnesium aanzienlijk. Bovendien zorgt de behandeling voor een flexibele afwerking voor zowel functionele als decoratieve doeleinden. Variaties in magnesiumlegeringen veroorzaken meestal problemen bij het toepassen van standaard anodiseeroplossingen vanwege de uiteenlopende oppervlakte-eigenschappen en reactiviteit van deze legeringen. Wanneer standaardmethoden niet afdoende zijn, is plasma elektrolytische oxidatie (PEO) of microboogoxidatie de sleutel tot optimale beschermende prestaties en consistente coating. 

Conversiecoatings

Conversiecoatingprocessen omvatten een chemische behandeling om corrosiebestendige oppervlakken op magnesium stukken te creëren. Hierbij worden coatings gebruikt zoals chromaat en fosfaat. De coatings vormen een betrouwbare primer voor de hechting van oppervlakken bij verdere afwerkingsbewerkingen. Het gebruik ervan wordt zeer gewaardeerd in de militaire, luchtvaart- en productie-industrie. Dergelijke industrieën geven de voorkeur aan prestaties en betrouwbaarheid, die het zwaarst wegen.

Poedercoating

Bij het aanbrengen van poedercoating op magnesium onderdelen wordt het droog aangebracht. Het volgende proces is het verhitten en het ontwikkelen van een stevig, uniform oppervlak. Dit proces geeft de ontwerpers een breed scala aan kleuren en texturen. Het maakt het ook duurzamer tegen afschilferen, krassen en blootstelling aan de omgeving. Het heeft merkbare en aanraakbare toepassingen, waaronder elektronische apparaten, fietsen en binnenmeubilair. De onderdelen zijn geschikt voor poedercoating vanwege hun betrouwbare uiterlijk en duurzaamheid. Poedercoating, waarbij geen oplosmiddel wordt gebruikt, trekt de aandacht als milieubewuste coatingstijl.

Galvanisch verzinken

Het galvaniseren van magnesium begint met het aanbrengen van een metaallaag, zoals nikkel, chroom of goud. De bevestiging gebeurt op het onderdeel, meestal nadat de adhesiepromotor is aangebracht. Deze afwerking zorgt niet alleen voor een visueel aantrekkelijk oppervlak, maar verbetert ook aanzienlijk de duurzaamheid en corrosiebescherming van het product. Het wordt regelmatig toegepast in zowel auto-interieurs als medische instrumenten. Het is ook relevant waar uiterlijk en duurzaamheid belangrijk zijn. Door de hoge reactiviteit van magnesium moeten de nodige voorbehandelingsstappen zorgvuldig worden uitgevoerd. Dit moet gebeuren in combinatie met het aanbrengen van tussenlagen om effectieve galvaniseerresultaten en een effectieve levensduur van componenten te verkrijgen.

Casestudie

Lichtgewicht elektronicabehuizing: Magnesiumlegering wordt vaak gebruikt om lichtgewicht elektronicabehuizingen te maken. Het is ook van toepassing op sterke apparaten zoals laptop behuizingen en camera behuizingen. Ontwerpers kozen voor de magnesiumlegering AZ91D vanwege de uitstekende gietbaarheid en sterkte en de weerstand tegen corrosie. Het doel was om er een lichter object van te maken. Het is echter ook stevig en heeft een metallic afwerking van uitstekende kwaliteit. Spuitgietinstallaties produceren complexe ontwerpen met kwetsbare wanden die niet veel verdere behandeling nodig hebben. Dit versnelt het productieproces en bespaart kosten. Nadat de onderdelen waren behandeld met twee beschermende stappen, ondergingen ze elk een conversielaag. Ze ondergingen ook een zwarte poedercoating om zweet, olie en milde schaafwonden op magnesium te voorkomen. De nauwe samenwerking tussen de teams van ontwerpers en fabrikanten leidde tot de productie van de functionele onderdelen. Het product voldeed aan de functionele doelen en esthetische eisen. Ze ondersteunden ook de inspanningen van het merk op het gebied van duurzaamheid en draagbaarheid.

Hoe productontwerpers soepel samenwerken met hun productiepartners

Succesvolle materiaalprestaties in producten zijn sterk afhankelijk van ontwerpers en fabrikanten, vooral bij gecompliceerde materialen zoals magnesiumlegeringen.

Technisch tekenen en CAD

Ontwerpers moeten complete CAD-modellen leveren met belangrijke afmetingen, afwerkingsvereisten en tolerantieniveaus en de specificatie van de magnesiumlegering. Het toevoegen van dergelijke annotaties helpt fabrikanten om de afbeeldingen correct te begrijpen en verkleint de kans op problemen bij het gieten of bewerken. Magnesium verschilt van aluminium (en staal) in krimp, ontwerphoeken en wanddikte, waardoor het essentieel is.

Specificaties materiaal

De materialen worden geleverd in de vorm van materiaalspecificaties, waarbij men kan controleren of de materiaalspecificaties overeenkomen. Ze moeten overeenkomen met de ASTM B93/B93M of ISO 16220 normen. Ingenieurs kunnen altijd consistent en duidelijk zijn tijdens het selectieproces van magnesiumlegeringen. Chemische samenstelling, mechanische eigenschappen en verwachtingen van de verwerking nemen de onzekerheid weg bij de materiaalselectie tijdens de productie. Ontwerpers stellen leveranciers en fabrikanten zo in staat om nauwkeurig aan de materiaalspecificaties te voldoen. Naleving van een standaardreferentie vereenvoudigt de materiaalselectie en verbetert de internationale samenwerking.

Prototype feedbacklussen

Een snelle beoordeling van vorm, pasvorm en functie is mogelijk met 3D-geprint plastic. Dat kan ook door middel van een CNC-bewerkt magnesium prototype. Fysieke modellen in dit stadium stellen beide partijen in staat om de toekomstige problemen te identificeren. Zo kan de volledige productie perfect worden afgestemd op kwaliteit en efficiëntie. De betrokkenheid van fabrikanten in dit stadium zorgt ervoor dat de praktische aspecten van productie deel uitmaken van de stappen die volgen op ontwerpverbeteringen. Daardoor kunnen ontwikkelaars de hoge kosten van latere revisies voorkomen.

Discussie over tolerantie

Ontwerpers moeten rekening houden met thermische uitzetting en zachtheid bij het afbakenen van maatspecificaties. Het opleggen van onrealistische of te krappe toleranties kan vervorming veroorzaken. Andere factoren zijn productuitval of hogere productiekosten. Ontwerpers kunnen garanderen dat tijdens de productie aan hun prestatie-eisen kan worden voldaan. Fabrikanten en ontwerpers willen de efficiëntie van de productie en de betrouwbaarheid van het product verbeteren.

Procesintegratie

Door in de vroege ontwerpfase samen te werken met productietechnici worden nieuwe problemen in een vroeg stadium geïdentificeerd en opgelost. Ontwerpers kunnen complexe of gecombineerde functies voorstellen die aantrekkelijk lijken, maar moeilijk en duur kunnen zijn om in magnesium te produceren. Hints van het productieteam kunnen segmentering inhouden. Ze kunnen ook onderdelen herontwerpen voor giet- of bewerkingsgemak. De produceerbaarheid wordt verbeterd zonder afbreuk te doen aan de bedoeling van het ontwerp.

Terminologie Uitlijning

Een goed gedefinieerde woordenlijst of referentiedocument is nuttig voor zowel de ontwerp- als de productiegroep. Het zorgt ervoor dat iedereen weet wat "anodiseren", "conversielaag" of "hardheidsgraad" inhoudt. Problemen met afwerking, verwerking of materiaalselectie kunnen ontstaan door verwarring met terminologie. Een standaard nomenclatuur aan het begin vergemakkelijkt wederzijds begrip van de vereisten en de stappen. Een dergelijke afstemming zorgt ervoor dat teams beter communiceren.

Conclusie

Magnesium materialen bieden unieke voordelen voor productontwerpers. Het is op het gebied van gewicht, sterkte en vervormbaarheid het beste op het gebied van prestaties en efficiëntie. De selectie van legeringsmethodes en oppervlakteafwerking helpt ontwerpers lichtgewicht, robuuste en visueel aantrekkelijke resultaten te leveren. Ontwerpers moeten echter rekening houden met de zwakke punten van magnesium. Deze zwakke punten zijn onder andere corrosiegevoeligheid, brandbaarheid en de hogere grondstofprijzen in vergelijking met sommige alternatieven. Nauwe samenwerking met fabrikanten kan echter helpen om ontwerpen en processen te optimaliseren om deze uitdagingen te beperken en de totale kosten effectief te beheren. Een grondige kennis van de levenscyclus van magnesiumproducten geeft ontwerpers de kennis. Kennis is de sleutel tot verdere logica en creativiteit: de geavanceerde technologieën en de toenemende aandacht voor duurzaamheid zorgen ervoor dat magnesium een steeds grotere rol gaat spelen in productontwerp.

Tips: Meer informatie over de andere metalen voor productontwerpers