En ultimativ guide til trykstøbning af prototyper

I plast- og metalindustrien, Prototyper til trykstøbning anses for at være økonomisk dyre  med en lang gennemløbstid for deludviklingsprojekter. Ikke desto mindre har de seneste fremskridt i prototypebranchen inden for trykstøbning ført til hurtigere og mere økonomiske prototyper.

Et vigtigt vendepunkt er fremkomsten af CNC-bearbejdning (Computer Numerical Control), en teknologisk innovation, der fuldstændig har ændret den måde, vi fremstiller værktøjer til trykstøbning på. Med de konventionelle metoder tog det omkring 8 til 10 uger at færdiggøre en form med fire glidere, men nu klarer CNC-bearbejdningen hurtigt det samme job på kun 1 til 2 uger.

Sideløbende med dette integreres brugen af 3D-design og simuleringssoftware, hvilket giver mange mennesker mulighed for at skabe værktøjer til trykstøbning. Brugen af 3D Computer-Aided Design (CAD)-teknologi har gjort det lettere at udarbejde værktøjsdesign på få timer. Desuden giver avanceret software mulighed for 3D eller 3D virtuel prototyping, som igen hjælper med at identificere designfejl, der ellers kunne være et problem under produktionen.

De forskellige slags prototypestøbning Metoderne omfatter en enkelt hulrumsform, gravitationsstøbning, hurtig prototyping, prototyping af gipsforme og bearbejdning. Fremkomsten af 3D-printteknologi har udvidet omfanget af prototyper betydeligt. Den introducerer også en række nye metoder, som endnu ikke er udforsket. Kort sagt, udviklingen af Prototyper til trykstøbning repræsenterer en arketype for produktionseffektivitet. Faldet i adgangsbarrierer til prototyper af trykstøbning er blevet tilskrevet fremkomsten af CNC-bearbejdning og 3D-designsoftware.

Synergien mellem teknologisk overlegenhed øger ikke kun omkostningseffektiviteten, men forkorter også tiden for produktudvikling, hvilket ses som et af de transformerende træk ved moderne produktionsmetoder. Denne artikel giver nyttige oplysninger om trykstøbning af prototyper.

Hvordan revolutionerer prototype-trykstøbning fremstillingsindustrien?

Trykstøbning af prototyper er en grundlæggende del af moderne produktionsteknologi. Den giver en uforlignelig hastighed og nøjagtighed i fremstillingen af komplekse metaldele. Denne teknik bruges i vid udstrækning i mange industrier som f.eks. fly og forbrugerelektronik på grund af evnen til at gengive indviklede former med stor nøjagtighed.

Trykstøbning af prototyper er absolut alsidig på den måde, at den kan bruge ethvert materiale fra robust plast til højstyrkemetaller, som er specielt formuleret til at opfylde forskellige krav til ydeevne. Prototyper af aluminiumsstøbning er højt værdsat for sin lette og stærke kvalitet, og derfor bruges det i vid udstrækning til fremstilling af biler og fly. Zink.

Derudover er det meget formstabilt og ikke udsat for korrosion, og det betragtes som et vigtigt element i fremstillingen af billige og komplicerede designkomponenter til forbrugerelektronik og telekommunikation. Magnesium, en anden legering  der er kendt for sit overlegne styrke/vægt-forhold, bruges ofte til letvægtsstrukturer i bil- og luftfartsindustrien.

Der er flere fordele ved at anvende trykstøbning til fremstilling af prototyper. For det første giver trykstøbning mulighed for stordriftsfordele og dermed produktion af sofistikerede dele i store mængder til lave enhedsomkostninger. Denne omkostningseffektivitet forstærkes yderligere af den glatte trykstøbningsproces, som giver mulighed for en hurtig produktionscyklus, hvilket er en kritisk faktor for at overholde stramme tidsplaner og hurtigere time-to-market.

Forskellige strategier for fremstilling af trykstøbningsprototyper:

Den bedst egnede prototypestrategi til trykstøbning bestemmes af mange faktorer: fra pris og leveringstid til muligheden for at teste de kritiske produktegenskaber. Blandt de mange muligheder, der findes, skiller to fremtrædende strategier sig ud: prototypeformen med et enkelt hulrum og gravitationsstøbning. Lad os tage et kig på hver teknik og vurdere deres positive og negative sider. 

Prototype-støbning med enkelt hulrum:

Hvis der er strenge krav til testning og evaluering af kritiske produktegenskaber, er prototypeværktøjet med én hulrum det mest velegnede. Produktionen med denne metode er komplet, og faktorer som overfladefinish undersøges nøje, en funktion, der er af stor betydning i mange applikationer. Derudover giver den fleksibilitet til at foretage forskellige designændringer, hvilket hjælper med at undgå risikoen for dyre omarbejdninger i de næste produktionsfaser.

Prototypestøbeprocessen med en enkelt kavitet har en væsentlig fordel i form af potentiel genbrug af den oprindelige formindsats i den sidste del af produktionen. Det gør det også muligt at reducere tiden fra prototyping til produktion og spare penge til værktøjsudvikling. Desuden resulterer den kortere gennemløbstid for at skabe endelige matricer og sekundære trimværktøjer i en højere grad af effektivitet i produktionsprocessen, hvilket er meget vigtigt i fremstillingsindustrier, der er kendetegnet ved en høj grad af konkurrence.

Ikke desto mindre har prototypeprocessen med en enkelt kavitet sine egne fordele, men den kan også give anledning til udfordringer i situationer, hvor tidsbegrænsninger eller designusikkerhed er de vigtigste faktorer. De kapitaludgifter og den leveringstid, der kræves til design og fremstilling af værktøjer, kræver ordentlig planlægning og vurdering af projektspecifikationerne for at sikre de bedste resultater. 

Gravity Casting:

Men tyngdekraftsstøbning, som er en billig løsning, foretrækkes, når det drejer sig om små produktionskørsler. Gravitationsstøbning er meget anerkendt for sin omkostningseffektivitet og hurtige leveringstider i modsætning til prototyping med én kavitet.  Som følge heraf dominerer gravitationsstøbning inden for prototyper til trykstøbning.

Gravitationsstøbning har en anden side af mønten, og selvom den har fordelen af en højere udmattelsesstyrke på grund af mindre porøsitet. Bortset fra dette har den også sine egne ulemper. Behovet for ekstra bearbejdning, som resulterer i et delvist tab af den oprindelige omkostningsfordel, er fremtrædende for trykstøbningsprocessen, som er meget præcis. Desuden kan manglen på gengivelse af den ultratynde vægtykkelse som ved trykstøbning begrænse brugen af 3D-printteknologien til nogle anvendelser.

Stereolitografi og trykstøbning:

Der findes forskellige teknikker til hurtig prototyping af trykstøbning, herunder stereolitografi, lasersintring og fused deposition modeling stereolitografi, lasersintring og fused deposition modeling. Ved at kombinere stereolitografiteknikker giver disse metoder en hurtig ekspeditionstid, som normalt er omkring 5 til 8 uger. I modsætning til trykstøbning med tyngdekraft anvender disse prototypeteknikker trykstøbning under højt trykmens matricer i H-13-stål bruges til at gengive de komplicerede delgeometrier med den højeste grad af præcision.

En stor fordel ved hurtig prototyping af aluminium er, at det er ret tæt på egenskaber og materialer i produktionskvalitet. Legering af materialer med lignende fysiske og termiske egenskaber som dem, der bruges i fuldskalaproduktion, hjælper med at skabe prototyper med grundig og præcis produktanalyse, der ikke kræver kostbar konstruktion af matricer. Det er en af grundene til, at denne teknologi er specielt velegnet til produktion af små serier på titusinder af enheder, mens værktøjet fremstilles.

Ikke desto mindre er det nødvendigt at nævne, at hurtig prototyping ved trykstøbning, almindeligvis kendt som "stålprocessen", måske ikke er funktionel til dele med tynde eller høje stående detaljer på grund af processens naturlige begrænsninger. 

Prototyping af gipsforme:

Derudover kan det kaldes gummiplaststøbning (RPM), der udnytter den tyngdekraftsbaserede støbemetode, som er velegnet til en række legeringer, herunder aluminium, magnesium, zink og ZA-legeringer. Stereolitografimodeller er den bedste måde at opnå hurtig prototypeproduktion inden for et par uger, hvilket er en meget afgørende faktor i den hurtige iteration og ændring af delgeometrien.

Prototyper af gipsforme er ofte omkostningseffektive, og omkostningerne ved at fremstille en gipsform er normalt kun en brøkdel af den investering, der er nødvendig for konstruktionen af produktionsformen. Selvom omkostningerne ved prototyper af gipsforme anslås til ca. 10% af udgifterne til traditionelt værktøj, har det vist sig at være en omkostningseffektiv løsning til prototyper af trykstøbning.

Prototyping af gipsforme har en ret bred vifte, men den er især god til geometrier fra 2 til 24 kubikcentimeter. Denne metode bruges til at få fungerende trykstøbte prototyper på 10 til 100 stykker, og den er mest velegnet til projekter, fordi den ikke kræver de høje omkostninger ved hårdt trykstøbningsværktøj.

Selvom det er en fordel ved prototyper af gipsforme, skal designerne være forsigtige med ikke at overkomplicere delgeometrierne, da evnen til at reproducere enhver støbbar geometri kan føre til øgede omkostninger til trykstøbning og produktionsudfordringer.

Brug af bearbejdning fra en lignende trykstøbning i prototypeprocessen

Prototyper fra samme trykstøbninger kan laves på en pragmatisk måde med brug af eksisterende trykstøbninger, der ligner hinanden i størrelse og form. Denne metode er den mest praktiske og kan bruges til forme med komplekse former.  Det er også mere anvendeligt til små dele, hvor bearbejdning af de tykke områder af en enkelt stor trykstøbning ikke er tilrådeligt. Det er det bedste valg til produktion af små tandhjul, skruebearbejdede produkter og andre dele, som bearbejdes automatisk i processen og materialerne.

På den anden side er trykstøbning unægtelig praktisk til fremstilling af prototyper; på den anden side er det ikke uden sine egne begrænsninger. For det første er prototypens designparametre i sagens natur begrænset af størrelsen og formen på de tilgængelige trykstøbninger. Bearbejdning fra en støbning betyder, at vi bliver nødt til at fjerne den hårde hud, der er karakteristisk for produktionsstøbninger.

Der er gennemført undersøgelser, som fokuserer på konsekvenserne af fjernelse af skind på trykstøbningers mekaniske egenskaber. For eksempel afslørede Briggs & Strattons undersøgelser, at der skete en reduktion på henholdsvis 10% og 39% i flyde- og udmattelsesstyrke, når skindet blev bearbejdet af støbegodset. trykstøbt aluminium. På samme måde er resultaterne fra U.  S.  National Energy Technology Laboratory viste, at zinkstøbegods havde en flydespænding, der var ca. 10% lavere, når skindet blev fjernet.

Bearbejdningsteknikker i smede- eller pladematerialer

I forbindelse med prototyper til trykstøbning bliver bearbejdning af enten smede- eller pladematerialer en alternativ tilgang til at bygge prototyper af plader eller ekstruderet aluminium og magnesium. Støbte smede- og pladeprodukter er mere duktile end trykstøbninger, men de har lavere flydespænding og kan være retningsbestemte på grund af orienteringen af pladerne eller de ekstruderede legeringer.

Ud over de iboende begrænsninger ved bearbejdning af smede- eller pladematerialer er der nogle fordele, som er vigtige i specifikke tilfælde, f.eks. når der kræves materialeegenskaber eller retningsbestemte funktioner. Gennem en omhyggelig analyse af kompromiserne, der omfatter duktilitet, trykstyrke og retningsegenskaber, kan producenter bruge bearbejdning af smede- eller pladematerialer til at skabe prototyper, der opfylder deres krævende behov.

Kompatible materialer til prototyper Trykstøbning

Prototypen på trykstøbning er baseret på en række forskellige materialer, der vælges omhyggeligt for at opfylde de specifikke krav til ydelsesniveau og anvendelse. Dette afsnit undersøger de mest almindeligt anvendte trykstøbningsmaterialer, identificerer deres særlige egenskaber og viser, hvordan de kan anvendes i forskellige brancher.

1.Aluminium:

Aluminium er stadig det mest populære materiale til prototypestøbning på grund af dets overlegne styrke, lette vægt og modstandsdygtighed over for korrosion. Dette materiale er det mest alsidige og bruges på tværs af industrier som bilindustrien, rumfart, forbrugerelektronik og telekommunikation. De Prototyper af trykstøbt aluminium har stor dimensionsstabilitet og en god overfladefinish, hvilket er årsagen til, at de bruges til fremstilling af detaljerede dele og strukturelle elementer. 

2. Zink:

Zink er også et almindeligt valg til støbning af prototyper, der er kendt for deres høje dimensionelle nøjagtighed, store styrke og fremragende korrosionsbestandighed. Trykstøbte dele i zink er velegnede til applikationer med komplekse geometrier og høj grad af præcision og bruges i bilindustrien, elektronik, medicinsk udstyr og hardwareindustrien. Desuden gør zinks lave smeltepunkt det nemt at køre hurtige produktionscyklusser, hvilket igen reducerer de samlede omkostninger til prototyper.

3. magnesium:

Magnesium er et materiale, der har en uovertruffen kombination af styrke-til-vægt-forhold, hvilket gør det til et ønskeligt valg til lette strukturelle komponenter i bil-, luftfarts- og forbrugerelektronikindustrien. De trykstøbte dele af magnesium er kendetegnet ved fremragende mekaniske egenskaber, som omfatter høj stivhed og slagfasthed samt en enestående varmeledningsevne. Selv om det er dyrere end aluminium og zink, gør magnesiums eksklusive egenskaber det velegnet til prototyper, hvor vægtreduktion og optimering af ydeevnen er hovedmålene.

4. Messing og kobber:

Messing- og kobberlegeringer anvendes til nicheapplikationer i prototype trykstøbningisær i de industrier, der kræver bedre elektrisk og termisk ledningsevne. Denne type metal er højt værdsat for sin gode korrosionsbestandighed, bearbejdelighed og æstetiske egenskaber. Sådanne dele bruges i elektriske stik, VVS-armaturer, dekorativt isenkram og præcisionsinstrumenter.

Hvordan finder man den rigtige teknik til trykstøbning af prototyper?

Valget af den rigtige Prototyper af trykstøbning processen indebærer at forstå de grundlæggende forskelle mellem produktionsstøbemetoderne og de metoder til disse komponenter, der normalt bruges i prototypeproduktionen. Det er vigtigt at erkende, at de prototyper, der udvikles gennem trykstøbning, har forskellige egenskaber fra produktionsmodstykkerne på grund af variationerne i legeringssammensætningen og fremstillingsmetoden.

For eksempel er de trykstøbte komponenter for det meste dækket af et lag hud på ca. 0. For eksempel 5 mm tykt, hvilket er en vigtig faktor, der bestemmer produktets trækstyrke og udmattelseslevetid. Men dette lag skaber et problem ved bearbejdning af prototyper, hvor man kan være nødt til at fjerne en del af det eller hele laget for at fremstille prototypen.

Selvom støbegodsets mekaniske egenskaber kan være forskellige fra de prototyper, der fremstilles ved hjælp af de andre metoder, er det stadig den bedste løsning at bruge trykstøbning i produktionsprocessen. De fysiske egenskaber ved trykstøbning, såsom hurtig afkøling, hurtig størkning og højtryksstøbning, er de faktorer, der adskiller de trykstøbte prototyper fra de andre typer prototyper.

De legeringer, der fremstilles ved trykstøbning, er designet til at passe til specifikke støbemetoder, men de er måske ikke egnede til gravitationsstøbning eller bearbejdning af smede- eller plademateriale. For eksempel består den Zamak-legeringsgruppe, der i vid udstrækning anvendes til trykstøbning, af Zamak 3, 5 og 7, som hver især indeholder 4%-aluminium og har sine egne størkningshastigheder og mekaniske egenskaber. Derfor anbefales Zamak-legeringer ikke til fremstilling af prototyper til gravitationsstøbning, da de mekaniske egenskaber for gravitationsstøbningsprototyperne kan afvige fra dem for trykstøbning. I stedet foreslås ZA-legeringerne til prototyper af gravitationsstøbning for at efterligne trykstøbningens mekaniske egenskaber så tæt som muligt.

Det skal nævnes, at Zamak 3, 5 og 7 ikke er egnet til støbning af prototyper, men de kan bruges til prototypens dekorative elementer, forudsat at deres mekaniske egenskaber ikke påvirker prototypens funktionalitet.

Konklusion

Hvad der adskiller produktionsteknikker fra prototypemetoder, skal forstås, når man vælger den bedste prototype til trykstøbning. Selv om der er variationer, er trykstøbning hovedårsagen til prototypers mekaniske egenskaber, og det korrekte valg af legering er afgørende for deres kompatibilitet med andre trykstøbningsprocesser. Ved at bruge denne indsigt kan produktproducenter reducere den tid, der er nødvendig for at fremstille prototyper til produktion og dermed lancere kvalitetsprodukter med tillid.