Minimering av porositet vid vakuumassisterad kallkammarpressgjutning av Al-Si : En fallstudie enligt DMAIC på Husqvarna Group

• Main Authors: Blombäck, Oscar, Dahlén, Marcus
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: Luleå tekniska universitet, Institutionen för ekonomi, teknik, konst och samhälle 2021
• Subjects: porosity; high pressure die-casting; vacuum; design of experiments; simulation; Al-Si; porositet; pressgjutning; vakuum; försöksplanering; simulering; Reliability and Maintenance; Tillförlitlighets- och kvalitetsteknik; Business Administration; Företagsekonomi
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-85097

Pressgjutna Al-Si komponenter förekommer mer och mer i förbränningsmotorer med syfte att reducera vikt och förbättra hållbarhet. Ett problem vid pressgjutning, en process kännetecknad av kostnadseffektivitet vid massproduktion, är porositetsbildning vilket kan resultera i läckage, strukturell svaghet och försämrad hållbarhet och livslängd för tillverkade komponenter. Då porer oftast bildas internt försvåras dessutom identifiering av potentiellt trasiga komponenter. Det är därför av vikt att finna parameterinställningar i pressgjutningsprocessen vilka konsekvent minimerar porositetsbildning. Ett företag som drabbas av återkommande porositets-relaterade defekter är Husqvarna Group. De använder vakuumassisterad pressgjutning för att, bland annat, producera motorcylindrar av Al-Si. Kassationsgraden, specifikt hänförbar till porositet, för en cylindermodell har under de senaste tre åren fördubblats vilket har resulterat i slöseri av produktionstid och kvalitetsbristkostnader. Vakuumassisterad pressgjutning kan beskrivas stegvis: (1) smält metall hälls i en cylindrisk fyllkammare, (2) en skottkolv trycker smältan mot ett mindre inlopp i låg hastighet för att undvika turbulens, samtidigt som vakuum ansätts i fyllkammare och gjutverktyg, (3) skottkolvshastigheten ökar markant vid en förinställd omslagspunkt, vilket spray-fyller gjutverktyget, och (4) högt tryck ansätts för att eftermata smälta till gjutverktyget när solidifiering sker. Syftet med detta examensarbete har varit att undersöka om och hur diverse parametrar, hänförbara till de nämnda processtegen, påverkar porositetsbildning i en industriell produkt. Därefter applicerades den erhållna processförståelsen för att identifera parametrar kritiska för porositetsbildning och slutligen rekommendera parameterinställningar som konsekvent minimerar porositetsgraden. Det experimentella upplägget bestod av två steg varav det första ämnade undersöka, via simulering, vilka av 6 parametrar som påverkade porositetsgraden utifrån en reducerad tvånivåers försöksdesign. Det andra steget var ett verkligt experiment i produktionsmiljö där de tre identiferade parametrarna från screening-experimentet varierades enligt en central-composite design. Analysen av experimenten resulterade i parameterinställningar som förväntas reducera porositetsgraden med över 70%. En lägre porositetsgrad kommer troligen reducera kassationsgraden av den undersökta cylindermodellen, vilket hade resulterat i finansiell besparing och effektivare produktion. I ett industriellt kontext bidrar detta exjobb huvudsakligen med en systematisk kvalitetsförbättrande metod för pressgjutna komponenter baserad i såväl simulerad som verklig miljö. === Pressure die casted Al-Si components are increasingly found inside internal combustion engines, resulting in weight reduction and increased durability. Characteristic to die casting, commonly associated with cost-effective mass production, is the formation of pores which, if unnoticed, can cause leakage, structural deficiencies, and thus reduced durability and life-length of components. Pores commonly appear internally, making identification of faulty components difficult. Therefore, finding parameter settings in the die casting process that consistently minimizes the formation of pores is of importance. A company struggling with porosity-related defects is Husqvarna Group, currently using vacuum-assisted die casting to produce engine cylinders of Al-Si. Scrap-rate, specifically related to porosity, of a particular cylinder model has doubled in the last three years, causing waste of both precious production time and higher quality deficiency costs. A vacuum-assisted die casting process consists of several steps: (1) liquid Al-Si is poured into a cylindrical shot sleeve, (2) a plunger is moved towards a small gate, leading to the die cavity, at low velocity as to not cause turbulence, whilst vacuum is applied throughout the cavity and shot sleeve, (3) plunger velocity is increased substantially at a predetermined switch point, resulting in a spray-filling of the die cavity, and (4) high pressure is applied to continue the feed of molten metal into the cavity as solidification occurs. The purpose of the thesis has been to investigate if and how various parameters, related to the aforementioned four steps of the die casting process, impact the porosity amount in an industrial product. The acquired process knowledge was then applied to identify parameters affecting porosity and recommend settings that consistently minimize the porosity amount. The experimental procedure consisted of two steps: firstly, a screening experiment of six process parameters was made by simulating the die casting process according to a fractional factorial design. Secondly, a real-world experiment was conducted following a central-composite design by varying the three most impactful parameters from the screening experiment.   Analysis of the experiments resulted in a selection of parameter settings, anticipated to reduce porosity by over 70%. A lower porosity amount will most likely reduce the scrap rate of the cylinder model, resulting in substantial savings and higher production efficiency. For practitioners, the main contribution of this thesis is a method of systematic quality-improvement to die-casted components by a combination of simulation experiments and real-world tests.