Trykkstøping utmerker seg når det gjelder store volumer og komplekse former, men har lavere presisjon. CNC-maskinering er presis og allsidig for prototyper og mindre volumer. Ved pressstøping brukes smeltet metall i støpeformer, mens CNC trekker materiale fra solide blokker.  Velg pressstøping for masseproduksjon, CNC for nøyaktighet og fleksibilitet.

Ved å sammenligne begge prosedyrene sammen med deres grunnleggende parametere, kan du finne det beste alternativet. Derfor gir denne artikkelen grundige detaljer om pressstøping vs. CNC-maskinering.

Trykkstøping: Oversikt og fordeler

Produsentene smelter utvalgte metaller i henhold til smeltetemperaturen. For eksempel smelter de sink ved 385 °C og aluminium ved 660 °C. Deretter skjer neste trinn, trykkstøping.

Denne metoden mater smeltet metall inn i en permanent form under et trykk på 10-175 MPa. Metallet strømmer gjennom løpere, og stigerørene samler opp restene.

Det smeltede metallet størkner i løpet av 5-30 sekunder, og utstøtingen kan skje ved 200-300 °C. Du må vite at hver syklus er ferdig i løpet av 15-60 sekunder.

Med tanke på den raske produksjonsevnen kan du fullføre store partier med pressstøping opptil 10-100 ganger raskere enn CNC-maskinering.

Bruksområder for trykkstøping

Trykkstøping hjelper til med å produsere komplekse deler. For eksempel kan den lage motorblokker av aluminium med 1,5 mm vegger. Denne metoden gir også holdbarhet og varmebestandighet.

Elektroniske deler støpes i sink for å gjøre de tynnveggede kabinettene mye lettere. I tillegg brukes magnesium i flyindustrien for å redusere vekten rundt 30% og øke drivstoffeffektiviteten.

Trykkstøpeprosesser

1. Høytrykksstøping (HPDC):

HPDC arbeider vanligvis under et trykk på 10-175 MPa. Den injiserer metall med en hastighet på 10-50 m/s. Denne prosessen produserer perfekt aluminiumsdeler for elektronikk eller bilindustrien. Den kan legge til tynne vegger (1,5-5 mm).

2. Lavtrykksstøping (LPDC):

Produsenter bruker 0,3-1,5 MPa trykk mens de bruker LPDC. I denne prosessen er formfyllingsprosessen veldig langsom for å unngå feil. Det fungerer bedre for stor dybde rundt 5-15 mm deler (hjulnav). De gir også viss styrke og holdbarhet.

3. Gravity Die-Casting:

Metoden bruker tyngdekraften til å fylle formen, som er forvarmet til 150-300 °C. Den kan produsere svært enkle aluminiumsdeler med fine overflater til rimelige priser.

Legeringstyper og egenskaper

Prosess for støpeverktøy

Produsentene lager matriser som er 10 ganger sterkere ved hjelp av stål (H13-kvalitet) for å motstå effekten av 50 000-1 000 000 sykluser. De kan koste 10 000-200 000 avhengig av design, legering eller andre faktorer. Dessuten inkluderer de viktigste aspektene:

• De bruker en klemkraft på rundt 100-5 000 tonn (avhengig av emnestørrelse).
• Hver syklus tar 15-60 sekunder (avhengig av delens kjøling).
• Utstøtingskraften kan være rundt 5-20% av klemkraften.

Begrensninger ved trykkstøping

• En røntgeninspeksjon er nødvendig for å kontrollere porøsiteten fordi det kan dannes opptil 1-2 mm dype luftlommer.
• Bruk 1-3° trekkvinkler for fjerning av deler.
• Den maksimale emnestørrelsen kan være opptil 600 mm på grunn av verktøykostnadene.

CNC-maskinering: Oversikt og fordeler

CNC-maskinering (Computer Numerical Control) bruker datastøttede teknikker. Denne teknologien får veiledning fra datamaskiner for å skjære ut former og omdanne råmetall til skarpt definerte deler.

Ved pressstøping sprøytes varmt metall inn, og en solid form kommer ut. Ved CNC-maskinering brukes derimot skjæreverktøy til å fjerne materiale (metaller, plast og kompositter) lag for lag.

Denne prosedyren er imidlertid egnet for færre spesialtilpassede deler, prototyper og små til middels store bestillinger (1-1 000 enheter).

CNC-programmeringsprosessen

CNC-maskinering bruker et verktøy som holdes av en spindel. Dette verktøyet kutter råmaterialet på arbeidsbordet. Drivmotoren mottar MCU-signaler og beveger spindelen tilsvarende. I mellomtiden bekrefter tilbakemeldingsenheten korrektheten.

CNC-maskineringsoperasjoner

CNC-maskiner utfører tre vanlige oppgaver:

• Fresing
• Snu
• Boring

Fresing

Produsentene bruker roterende verktøy (500-15 000 o/min) ved fresing. De kutter opp flate og buede former. For eksempel bruker de en 10 mm hardmetallfres. Den hjelper til med å kutte aluminiumslegeringer ved 2000 o/min for å lage motorbraketter.

Snu

En roterende spindel fester arbeidsstykket der det roterer med opptil 3 000 o/min.) I mellomtiden roterer skjæreverktøyet eller det stasjonære verktøyet langs spindelaksen og gir materialet en sylindrisk form (skrue eller rør).

Boring

Boreprosessen går ut på å lage hull i deler. Vanligvis bruker produsenter borekroner (1-25 mm i diameter) ved hastigheter på 500-1 500 o/min. For eksempel lager de hull i plasthus ved hjelp av biter på 5 mm.

Eksempler på CNC-maskinerte deler

CNC-maskinering tar 3 timer å produsere en prototyp for et 100 mm robotledd i aluminium. Denne delen kan gi en nøyaktighet på opptil 0,02 mm.

I medisinske implantater polerer produsentene kobolt-krom-kneleddsproteser til Ra 0,4 µm. Det gjør at den kan bevege seg jevnt.

Turbinbladene i titan tåler 800 °C i luft- og romfart. Disse delene er laget ved hjelp av 5-aksede CNC-freser med 0,01 mm presisjon.

Typer CNC-maskiner og deres kapasitet

3-aksede CNC-freser

Den inneholder tre hovedakser (X, Y, Z). Den beveger seg fra venstre til høyre, forfra og bakover og opp-ned. Til tross for sine begrensede bevegelsesmuligheter kan den håndtere deler som er ca. 600 mm lange. 3 akser lager 3D-former for deler som girkasser med en nøyaktighet på ±0,05 mm.

5-aksede CNC-freser

Denne maskinen vipper og roterer verktøyene. Disse verktøyene kan skjære svært vanskelige former (f.eks. turbinblader) i ett oppsett. Du kan få ±0,02 mm angitte deler.

CNC-dreiebenker

Denne typen CNC-maskin spesialiserer seg på runde deler. Den kan ta tak i materialer med en bredde på opptil 300 mm. Med den kan du skjære gjenger med så fin stigning som 0,5 mm.

Verktøy i CNC-maskinering

Produsentene lager CNC-skjæreverktøy, vanligvis med karbid (varer 200-400 minutter). Det andre verktøymaterialet kan være høyhastighetsstål (HSS, 100-200 minutter) eller keramikk (for høy varme).

Du kan også øke levetiden til disse verktøyene ved å bruke flere belegg som titannitrid (TiN). Belegglagene gjør verktøyet 50% raskere, og gjør at det ikke slites. Belagte bor kan for eksempel lage 500 hull i rustfritt stål med en hastighet på 0,2 mm per omdreining.

Verktøyholderne bruker hydraulisk kraft (opptil 200 bar). Disse holder verktøyene godt fast, noe som minimerer vibrasjoner under skjæring.

Materialer for CNC-maskinering

Begrensninger ved CNC-maskinering:

• CNC-maskinering fjerner materialet sakte.
• Matingene varierer vanligvis fra 0,1 til 0,5 mm/tann, noe som er ineffektivt for store ordrer.
• Kutting av materialer ved høy hastighet fører til slitasje på verktøyet.
• Det kan være utfordrende for CNC å oppnå komplekse geometrier med dype detaljer (f.eks. dybde/bredde-forhold >5:1).

Sammenligning av trykkstøping og CNC-maskinering

1. Sammenligning av materialegenskaper

Som vi har oppdaget, bruker både trykkstøping og CNC-teknikken forskjellige materialer. Dette betyr at de har unike egenskaper. For eksempel er en vanlig pressstøpt legering aluminium A380. Denne legeringen har en strekkfasthet på rundt 310 MPa og en flytegrense på opptil 159 MPa.

På samme måte bruker CNC-maskiner aluminium 6061. Det har en strekkfasthet på 310 MPa og en flytegrense på 276 MPa.

2. Sammenligning av toleranse

Du kan oppnå toleranser på rundt 0,004 tommer (0,1 mm) for små deler ved hjelp av trykkstøping. Materialkrymping og kjøleeffekter øker imidlertid toleransene med delstørrelsen.

CNC-maskinering gir derimot svært små toleranser, ofte under 0,025 mm (0,001 tommer). Det betyr at det kan fungere godt når man må følge et mønster til punkt og prikke.

Men for å få nøyaktige utdata kreves det høyere kostnader. Hvis du ønsker å oppnå en toleranse på 0,003 tommer (0,075 mm), kan det koste 100 enheter. En toleranse på 0,012 mm (0,0005 tommer) kan tredoble prisen. Dette skyldes økt bearbeidingstid, verktøyslitasje og kvalitetskontrolltiltak.

3. Kostnadsanalyse

Støping inkluderer innledende oppsett og verktøy. Det er derfor det koster rundt $5,000-$50,000. Det reduserer imidlertid hver enhetskostnad ($1-$5 per del) for en stor ordre.

CNC-maskinering krever ikke verktøykostnader. Produksjonskostnadene avhenger av materialvalg og designkompleksitet.

4. Sammenligning av ledetider

Det tar 4-8 uker å sette opp verktøyene for pressstøping før prosessen starter. Når verktøyene er klare, kan de imidlertid produsere store partier raskt.

Det er ingen forsinkelse av verktøy i CNC-maskinering. Denne prosessen kan lage prototyper i løpet av 1-3 dager. I tillegg tar batchproduksjon 5-10 dager i henhold til designkompleksitet.

5. Delkompleksitet

pressstøping kan håndtere enkle til moderat komplekse designnivåer. Den støtter tynne vegger og integrerte funksjoner som ribber. Denne prosessen sliter med å lage dype kutt, skarpe innvendige hjørner og lange deler.

CNC-maskiner kan arbeide med dypere design og komplekse geometrier. Denne prosessen er langsommere, og derfor øker kostnadene for store serier.

6. Sammenligning av miljøpåvirkning

Det blir mindre materialavfall under støpeoperasjoner, men restmaterialet er ikke alltid 100% resirkulerbart. Dette skyldes oksidasjon og urenheter. Dessuten går det med mye energi til å fremstille støpeformen.

CNC-maskineringsprosessen produserer mer skrap. Spesielt kan du gjenbruke metallspon. Kjølemiddelet påvirker imidlertid miljøet. Dette kan reduseres med opptil 50% ved hjelp av moderne filtreringssystemer.

Beslutningsmatrise for valg av riktig prosess

Designhensyn for trykkstøping og CNC-maskinering

Designregler for trykkstøping

trykkstøping trenger utkastvinkler. Disse vinklene gjør utstøpingsprosessen jevnere. Du kan beregne utkastvinkelen ved hjelp av formler.

Formlene inneholder legeringsspesifikke konstanter, vanligvis 1°-3° per side. Beregningen påvirkes også av materialet og delens kompleksitet.

I tillegg kan veggtykkelsen også variere. For eksempel kan aluminium brukes 1-1,5 mm, og sink kan brukes 0,5-1 mm. Tykkelsen bekrefter riktig flyt og avviser defekter.

Dessuten er hovedoppgaven til fileter og radier å redusere spenningskonsentrasjonen og øke formens levetid.

Designhensyn for CNC-maskinering

Generelt trenger ikke CNC-maskineringsdesign utkast til vinkler. De kan lage skarpe innvendige hjørner og vertikale vegger. Designalternativet deres kan omfatte T-spor, svalehaler og dype lommer. Som inneholder høyere dybde-til-bredde-forhold.

Tenk på tilgangen til verktøyet, fordi dype hulrom krever lengre verktøy. Det kan også øke vibrasjonene og gi mindre nøyaktige resultater. I tillegg bidrar innfestingen til stabilitet under maskinering.

Bruk av simuleringsprogramvare

Du kan bruke simuleringsverktøy for å finpusse designens ytelse ytterligere. Disse verktøyene gjør flyten i trykkstøpeformen og CNC-verktøybanene så funksjonelle som mulig. Det hjelper også med å identifisere defekter som porøsitet i trykkstøping og skravling i maskinering.

Samarbeid mellom designere og ingeniører

Prøv å kommunisere med designerne på et tidlig tidspunkt. Bekreft kravene dine for å produsere kostnadseffektive og produserbare deler. Dette trinnet forhindrer også flere modifikasjoner og produksjonsproblemer.

Konklusjon

Pressstøping er et godt alternativ for store produksjoner. Den produserer deler raskere med lav hastighet, men er ikke effektiv når det gjelder presisjonsresultater. CNC-maskinering bruker derimot flere materialer og gir høy nøyaktighet. Denne teknikken er imidlertid langsom og kostbar.

Begge prosessene har ulike fordeler og ulemper. Valget avhenger helt av hvilke typer materialer eller produkter du produserer.