Tlakové lití vyniká velkým objemem a složitými tvary, ale má nižší přesnost. CNC obrábění je přesné a univerzální pro prototypy a menší objemy. Při tlakovém lití se používá roztavený kov ve formách, zatímco CNC odebírá materiál z pevných bloků.  Zvolte tlakové lití pro hromadnou výrobu, CNC pro přesnost a flexibilitu.

Porovnáním obou postupů a jejich základních parametrů můžete najít lepší variantu. Proto tento článek obsahuje podrobné informace o tlakovém lití vs. CNC obrábění.

Tlakové lití: Přehled a výhody

Výrobci taví vybrané kovy podle jejich teploty tání. Například zinek taví při 385 °C a hliník při 660 °C. Poté následuje další krok, tlakové lití.

Při této metodě se roztavený kov přivádí do trvalé formy pod tlakem 10-175 MPa. Vtokové ústrojí protéká tímto kovem a stoupací ústrojí shromažďuje jeho zbytky.

Roztavený kov tuhne 5-30 sekund a umožňuje vyhození při teplotě 200-300 °C. Musíte vědět, že každý cyklus je dokončen za 15-60 sekund.

Vzhledem k rychlé výrobní schopnosti lze pomocí tlakového lití dokončit velké série až 10-100x rychleji než pomocí CNC obrábění.

Aplikace tlakového lití

Tlakové lití pomáhá při výrobě složitých dílů. Lze například vyrábět bloky motorů z hliníku se stěnami o tloušťce 1,5 mm. Tato metoda také zajišťuje trvanlivost a tepelnou odolnost.

Elektronické součástky se odlévají ze zinku, aby byl jejich tenkostěnný kryt mnohem lehčí. Kromě toho se hořčík používá v letectví a kosmonautice za účelem snížení hmotnosti kolem 30% a zvýšení účinnosti paliva.

Procesy tlakového lití

1. Vysokotlaké tlakové lití (HPDC):

HPDC obecně pracuje pod tlakem 10-175 MPa. Vstřikuje kov rychlostí 10-50 m/s. Tento proces dokonale vyrábí uvedené hliníkové díly pro elektroniku nebo automobilový průmysl. Může přidávat tenké stěny (1,5-5 mm).

2. Nízkotlaké tlakové lití (LPDC):

Výrobci používají při provozu LPDC tlak 0,3-1,5 MPa. Při tomto procesu je proces plnění formy velmi pomalý, aby se předešlo vadám. Funguje lépe pro díly s velkou hloubkou kolem 5-15 mm (náboje kol). Poskytují také určitou pevnost a odolnost.

3. Gravitační tlakové lití:

Při této metodě se forma plní gravitačně a předehřívá se na teplotu 150-300 °C. Lze při ní vyrábět velmi jednoduché hliníkové díly s jemným povrchem za přijatelné ceny.

Typy slitin a jejich vlastnosti

Proces tlakového lití

Výrobci vytvářejí zápustky, které jsou 10krát pevnější a používají ocel (třída H13), aby odolaly účinkům 50 000 až 1 000 000 cyklů. V závislosti na konstrukci, slitině nebo dalších faktorech mohou stát 10 000-200 000. Kromě toho mezi jejich klíčové aspekty patří:

• Používají upínací sílu přibližně 100-5 000 tun (podle velikosti dílu).
• Jeden cyklus trvá 15-60 sekund (v závislosti na chlazení dílu).
• Jejich vystřelovací síla může být přibližně 5-20% upínací síly.

Omezení tlakového lití

• Pro kontrolu pórovitosti je nutná rentgenová kontrola, protože se mohou tvořit vzduchové kapsy hluboké až 1-2 mm.
• Pro odebírání dílů používejte úhly ponoru 1-3°.
• Maximální velikost dílu může být až 600 mm vzhledem k nákladům na matrici.

CNC obrábění: Přehled a výhody

CNC (Computer Numerical Control) obrábění používá počítačem podporované techniky. Tato technologie dostává pokyny od počítačů k řezání tvarů a přeměně surového kovu na ostře definované díly.

Víte, že při tlakovém lití se dovnitř vloží horký kov a vyjde pevný tvar. Naproti tomu CNC obrábění používá řezné nástroje k odebírání materiálu (kovů, plastů a kompozitů) vrstvu po vrstvě.

Tento postup je však vhodný pro menší počet zakázkových dílů, prototypů a nízkých až středně velkých zakázek (1-1000 kusů).

Proces programování CNC

Při CNC obrábění se používá nástroj, který je držen vřetenem. Tento nástroj řeže surový materiál na pracovním stole. Pohonný motor dostává signály MCU a podle nich pohybuje vřetenem. Mezitím zpětnovazební zařízení potvrzuje správnost.

Obráběcí operace CNC

Stroje CNC provádějí tři běžné úlohy:

• Frézování
• Obrácení
• Vrtání

Frézování

Výrobci používají při frézování rotační nástroje (500-15 000 ot./min.). Frézují ploché a zakřivené tvary. Používají například čelní frézu ze slinutého karbidu o průměru 10 mm. Ta pomáhá řezat hliníkové slitiny při 2 000 otáčkách za minutu při výrobě držáků motorů.

Obrácení

Rotační vřeteno upevňuje obrobek na místě, kde se otáčí rychlostí až 3 000 otáček za minutu). Mezitím se řezné nebo stacionární nástroje otáčejí podél osy vřetena a dávají materiálu válcový (šroubový nebo trubkový) tvar.

Vrtání

Při vrtání je třeba vytvořit otvory v dílech. Výrobci obvykle používají vrtáky (průměr 1-25 mm) při otáčkách 500-1 500 ot/min. Například otvory v plastovém pouzdře vytvářejí pomocí vrtáků o průměru 5 mm.

Příklady CNC obráběných dílů

Výroba prototypu hliníkového kloubu robota o průměru 100 mm trvá při obrábění CNC 3 hodiny. Tento díl může poskytovat přesnost až 0,02 mm.

U lékařských implantátů výrobci leští kobalt-chromové kolenní náhrady na Ra 0,4 µm. To umožňuje hladký pohyb.

Titanové lopatky leteckých turbín odolávají teplotě 800 °C. Tyto díly se vyrábějí na pětiosých CNC frézkách s přesností 0,01 mm.

Typy CNC strojů a jejich schopnosti

3osé CNC frézky

Obsahuje tři základní osy (X, Y, Z). Ta se pohybuje doleva doprava, dopředu dozadu a nahoru dolů. Navzdory svým omezeným pohybovým schopnostem zvládne díly dlouhé přibližně 600 mm. Tři osy vytvářejí 3D tvary pro díly, jako jsou převodovky, s přesností ±0,05 mm.

5osé CNC frézky

Tento stroj naklání a otáčí nástroje. Tyto nástroje mohou řezat velmi složité tvary (např. lopatky turbín) v jednom nastavení. Lze získat díly o velikosti ±0,02 mm.

CNC soustruhy

Tento typ CNC stroje se specializuje na kulaté díly. Může uchopit materiály o šířce až 300 mm. Pomocí něj lze řezat závity s roztečí až 0,5 mm.

Nástroje pro CNC obrábění

Výrobci vyrábějí CNC řezné nástroje, obvykle s karbidem (vydrží 200-400 minut). Dalším materiálem nástroje může být rychlořezná ocel (HSS, 100-200 minut) nebo keramika (pro vysoké teploty).

Životnost těchto nástrojů můžete prodloužit také použitím několika povlaků, např. nitrid titanu (TiN). Povlakové vrstvy zrychlují nástroj 50% a nedovolují jeho opotřebení. Například vrtáky s povlakem jsou schopny udělat 500 otvorů do nerezové oceli rychlostí 0,2 mm na otáčku.

Držáky nástrojů využívají hydraulickou sílu (až 200 barů). Tyto síly pevně upínají nástroje a minimalizují vibrace při řezání.

Materiály pro CNC obrábění

Omezení CNC obrábění:

• CNC obrábění odebírá materiál pomalu.
• Jeho rychlost posuvu se obvykle pohybuje od 0,1 do 0,5 mm/zub, což je pro velké zakázky neefektivní.
• Řezání materiálů vysokou rychlostí způsobuje opotřebení nástroje.
• Pro CNC může být náročné získat složité geometrie s hlubokými rysy (např. poměr hloubky k šířce >5:1).

Srovnání tlakového lití a CNC obrábění

1. Srovnání vlastností materiálů

Jak jsme zjistili, jak technika tlakového lití, tak CNC používají různé materiály. To znamená, že mají jedinečné vlastnosti. Například běžnou slitinou pro tlakové lití je hliník A380. Tato slitina má pevnost v tahu přibližně 310 MPa a mez kluzu až 159 MPa.

Stejně tak stroje CNC používají hliník 6061. Ten nabízí pevnost v tahu 310 MPa a mez kluzu 276 MPa.

2. Srovnání tolerance

U malých dílů lze pomocí tlakového lití dosáhnout tolerance kolem 0,004 palce (0,1 mm). Smršťování materiálu a vliv chlazení však zvyšují tolerance s velikostí dílu.

Naproti tomu CNC obrábění poskytuje velmi malé tolerance, často menší než 0,001 palce (0,025 mm). To znamená, že může dobře fungovat při přísném dodržování vzoru.

Získání přesných výstupů však vyžaduje vyšší náklady. Pokud chcete dosáhnout tolerance 0,003 palce (0,075 mm), může to stát 100 jednotek. Zatímco tolerance 0,0005 palce (0,012 mm) by ji mohla ztrojnásobit. Důvodem je prodloužení doby obrábění, opotřebení nástrojů a opatření pro kontrolu kvality.

3. Analýza nákladů

Tlakové lití zahrnuje počáteční nastavení a nástroje. Proto stojí přibližně $5 000-$50 000. Při velké zakázce však snižuje náklady na každou jednotku ($1-$5 na díl).

CNC obrábění nevyžaduje náklady na nástroje. Jeho výrobní náklady závisí na výběru materiálu a úrovni složitosti konstrukce.

4. Srovnání doby realizace

Příprava nástrojů pro tlakové lití trvá 4-8 týdnů před zahájením procesu. Jakmile jsou však tyto nástroje připraveny, mohou rychle vyrábět velké série.

Při CNC obrábění nedochází ke zpoždění nástrojů. Tímto postupem lze vyrobit prototypy během 1-3 dnů. Kromě toho trvá sériová výroba 5-10 dní podle složitosti návrhu.

5. Složitost dílů

tlakové lití zvládne jednoduché až středně složité konstrukce. Podporuje tenké stěny a integrované prvky, jako jsou žebra. Tento proces má problémy při vytváření hlubokých řezů, ostrých vnitřních rohů a dlouhých uvedených dílů.

Stroje CNC mohou pracovat s hlubšími konstrukcemi a složitými geometriemi. Tento proces je pomalejší, a proto zvyšuje náklady na velké série.

6. Srovnání dopadů na životní prostředí

Při odlévání dochází k menšímu plýtvání materiálem, ale zbytky materiálu nejsou vždy recyklovatelné. Důvodem je oxidace a nečistoty. Také výroba forem spotřebovává značné množství energie.

Při obrábění CNC vzniká více odpadu. Zejména můžete znovu použít kovové třísky. Jeho chladicí prostředek však má dopad na životní prostředí. Ten lze pomocí moderních filtračních systémů snížit až na 50%.

Rozhodovací matice pro výběr správného procesu

Konstrukční hlediska pro tlakové lití a CNC obrábění

Konstrukční pravidla pro tlakové lití

tlakové lití potřebuje úhly tahu. Díky těmto úhlům je proces vyhazování plynulejší. Úhel tahu lze vypočítat pomocí vzorců.

Vzorce obsahují konstanty specifické pro slitinu, obvykle 1°-3° na stranu. Jeho výpočet je rovněž ovlivněn složitostí materiálu a součásti.

Kromě toho se může lišit i tloušťka stěny. Například hliník může mít tloušťku 1-1,5 mm a zinek 0,5-1 mm. Tloušťka potvrzuje správný průtok a odpuzuje vady.

Kromě toho je hlavním úkolem koutů a poloměrů snížit koncentraci napětí a zvýšit životnost formy.

Konstrukční hlediska pro CNC obrábění

Obecně platí, že konstrukce pro CNC obrábění nepotřebují úhly tahu. Mohou vytvářet ostré vnitřní rohy a svislé stěny. Jejich konstrukční možnosti mohou zahrnovat T-drážky, holubičí drážky a hluboké kapsy. Které obsahují vyšší poměry hloubky k šířce.

Zvažte přístup k nástroji, protože hluboké dutiny potřebují delší nástroje. To může také zvýšit vibrace a neposkytnout přesné výsledky. Kromě toho upínání podporuje stabilitu při obrábění.

Použití simulačního softwaru

K dalšímu vylepšení výkonu návrhu můžete použít simulační nástroje. Díky těmto nástrojům je tok odlévací formy a dráhy CNC nástrojů co nejfunkčnější. Pomáhají také při identifikaci vad, jako je pórovitost při tlakovém lití a chvění při obrábění.

Spolupráce mezi konstruktéry a inženýry

Snažte se komunikovat s designéry včas. Potvrďte své požadavky na výrobu nákladově efektivních a vyrobitelných dílů. Tímto krokem také předejdete několika úpravám a problémům při výrobě.

Závěr:

Možnost tlakového lití je vhodné použít pro velkovýrobu. Vyrábí díly rychleji při nízké rychlosti, ale není efektivní pro přesné výsledky. Naopak CNC obrábění využívá více materiálů a poskytuje vysokou přesnost. Tato technika je však pomalá a nákladná.

Oba procesy mají různé výhody a nevýhody. Výběr zcela závisí na tom, jaké typy materiálů nebo výrobků vyrábíte.