Spuitgieten blinkt uit in grote volumes en complexe vormen, maar heeft een lagere precisie. CNC-bewerking is nauwkeurig en veelzijdig voor prototypes en kleinere volumes. Bij spuitgieten wordt gesmolten metaal in mallen gebruikt, terwijl CNC materiaal uit massieve blokken haalt.  Kies voor spuitgieten voor massaproductie, CNC voor nauwkeurigheid en flexibiliteit.

Door beide procedures te vergelijken, samen met hun fundamentele parameters, kun je de betere optie vinden. Daarom biedt dit artikel diepgaande details over spuitgieten versus CNC-verspaning.

Spuitgieten: Overzicht en voordelen

De fabrikanten smelten geselecteerde metalen volgens hun smelttemperatuur. Ze smelten zink bijvoorbeeld bij 385°C en aluminium bij 660°C. Dan gebeurt de volgende stap, het spuitgieten.

Deze methode voert gesmolten metaal onder een druk van 10-175 MPa in een permanente mal. Lopers stromen dit metaal en stijgbuizen vangen de restanten op.

Gesmolten metaal stolt in 5-30 seconden en kan worden uitgeworpen bij 200-300 °C. Je moet weten dat elke cyclus binnen 15-60 seconden voltooid is.

Als je kijkt naar de snelle productiecapaciteit, kun je grote batches met spuitgieten tot 10-100x sneller voltooien dan met CNC-verspaning.

Toepassingen van spuitgieten

Spuitgieten helpt bij de productie van complexe onderdelen. Het kan bijvoorbeeld motorblokken maken van aluminium met wanden van 1,5 mm. Deze methode biedt ook duurzaamheid en hittebestendigheid.

Elektronische onderdelen gieten zink om hun dunwandige behuizing veel lichter te maken. Bovendien gebruiken luchtvaarttoepassingen magnesium om het gewicht rond 30% te verminderen en de brandstofefficiëntie te verhogen.

Gietprocessen

1. Spuitgieten onder hoge druk (HPDC):

Over het algemeen werkt HPDC onder een druk van 10-175 MPa. Het injecteert metaal met een snelheid van 10-50 m/s. Dit proces produceert perfect aluminium onderdelen voor elektronica of de auto-industrie. Het kan dunne wanden (1,5-5 mm) toevoegen.

2. Spuitgieten onder lage druk (LPDC):

Fabrikanten gebruiken een druk van 0,3-1,5 MPa bij LPDC. Bij dit proces verloopt het vormvulproces erg langzaam om defecten te voorkomen. Het werkt beter voor onderdelen met een grote diepte rond 5-15 mm (wielnaven). Ze bieden ook een bepaalde sterkte en duurzaamheid.

3. Zwaartekracht spuitgieten:

De methode maakt gebruik van zwaartekracht om de mal te vullen, die wordt voorverwarmd tot 150-300°C. Het kan zeer eenvoudige aluminium onderdelen produceren met fijne oppervlakken tegen betaalbare prijzen.

Soorten legeringen en eigenschappen

Proces voor spuitgieten

Fabrikanten maken matrijzen die 10 keer sterker zijn door gebruik te maken van staal (H13 kwaliteit) om het effect van 50.000-1.000.000 cycli te weerstaan. Ze kunnen 10.000-200.000 kosten, afhankelijk van het ontwerp, de legering of andere factoren. Daarnaast zijn de belangrijkste aspecten:

• Ze gebruiken een klemkracht van ongeveer 100-5.000 ton (afhankelijk van de onderdeelgrootte).
• Per cyclus duurt het 15-60 seconden (afhankelijk van de koeling van het onderdeel).
• Hun uitwerpkracht kan ongeveer 5-20% van de klemkracht bedragen.

Beperkingen van spuitgieten

• Er is een röntgeninspectie nodig om de porositeit te controleren omdat zich luchtzakken kunnen vormen tot 1-2 mm diep.
• Gebruik een trekhoek van 1-3° voor het verwijderen van onderdelen.
• Door de matrijskosten kan de maximale productgrootte tot 600 mm bedragen.

CNC verspanen: Overzicht en voordelen

CNC (Computer Numerical Control) bewerkingstoepassingen computerondersteunde technieken. Deze technologie krijgt begeleiding van computers om vormen te snijden en ruw metaal om te zetten in scherp gedefinieerde onderdelen.

Bij spuitgieten gaat er heet metaal in en komt er een vaste vorm uit. Bij CNC-bewerking daarentegen worden snijgereedschappen gebruikt om materiaal (metalen, kunststoffen en composieten) laag voor laag te verwijderen.

Deze procedure is echter geschikt voor minder aangepaste onderdelen, prototypen en kleine tot middelgrote orders (1-1.000 stuks).

CNC-programmeerproces

Bij CNC-bewerking wordt een gereedschap gebruikt dat wordt vastgehouden door een spindel. Dit gereedschap snijdt het ruwe materiaal op de werktafel. De aandrijfmotor krijgt MCU-signalen en beweegt de spindel dienovereenkomstig. Ondertussen bevestigt het terugkoppelapparaat de juistheid.

CNC Bewerkingen

CNC machines voeren drie algemene taken uit:

• Frezen
• Draaien
• Boren

Frezen

Fabrikanten gebruiken draaiende gereedschappen (500-15.000 tpm) bij het frezen. Ze frezen vlakke en gebogen vormen. Ze gebruiken bijvoorbeeld een hardmetalen frees van 10 mm. Dat helpt bij het snijden van aluminiumlegeringen bij 2.000 tpm voor het maken van motorsteunen.

Draaien

Een roterende spindel zet het werkstuk vast waar het ronddraait (tot 3.000 RPM). Ondertussen draaien snijgereedschappen of stationair gereedschap langs de as van de spindel en geven een cilindrische (schroef- of pijp-) vorm aan het materiaal.

Boren

Bij het boorproces moeten gaten in onderdelen worden gemaakt. Meestal gebruiken fabrikanten boren (1-25 mm diameter) met snelheden van 500-1.500 RPM. Ze maken bijvoorbeeld gaten in plastic behuizingen met bits van 5 mm.

Voorbeelden van CNC-bewerkte onderdelen

CNC-bewerking neemt 3 uur in beslag om een prototype te maken voor een 100 mm aluminium robotverbinding. Dit onderdeel heeft een nauwkeurigheid tot 0,02 mm.

Bij medische implantaten polijsten fabrikanten kobalt-chroom knieprothesen tot Ra 0,4 µm. Daardoor kan het soepel bewegen.

Aerospace titanium turbinebladen zijn bestand tegen 800°C. Deze onderdelen worden gemaakt met 5-assige CNC-frezen met een nauwkeurigheid van 0,01 mm.

Soorten CNC machines en mogelijkheden

3-assige CNC frezen

Het bevat drie primaire assen (X, Y, Z). Die beweegt van links naar rechts, van voor naar achter en van boven naar beneden. Ondanks zijn beperkte bewegingsmogelijkheden kan hij onderdelen met een lengte van ongeveer 600 mm aan. 3 assen maken 3D vormen voor onderdelen zoals tandwielkasten met een nauwkeurigheid van ±0,05 mm.

5-assige CNC frezen

Deze machine kantelt en roteert gereedschappen. Deze gereedschappen kunnen zeer moeilijke vormen snijden (bijv. turbinebladen) in één opstelling. Je kunt onderdelen met een nauwkeurigheid van ±0,02 mm krijgen.

CNC-draaibanken

Dit soort CNC machine is gespecialiseerd in ronde onderdelen. Ze kan materialen tot 300 mm breed bewerken. Je kunt er schroefdraad mee snijden met een steek van 0,5 mm.

Gereedschap voor CNC-verspaning

Fabrikanten maken CNC snijgereedschap, meestal met hardmetaal (gaat 200-400 minuten mee). Het materiaal van het andere gereedschap kan hogesnelheidsstaal (HSS, 100-200 minuten) of keramiek (voor hoge hitte) zijn.

Je kunt de levensduur van deze gereedschappen ook verlengen door verschillende coatings te gebruiken, zoals titaniumnitride (TiN). Coatinglagen maken het gereedschap 50% sneller en laten het niet slijten. Zo kunnen gecoate boren 500 gaten in roestvrij staal maken met 0,2 mm per draai.

Gereedschapshouders gebruiken hydraulische kracht (tot 200 bar). Deze kracht klemt gereedschap stevig vast, waardoor trillingen tijdens het snijden worden geminimaliseerd.

Materialen voor CNC-bewerking

Beperkingen van CNC verspanen:

• CNC-bewerking verwijdert materiaal langzaam.
• De voedingssnelheden variëren meestal van 0,1 tot 0,5 mm/tand, wat dus inefficiënt is voor grote opdrachten.
• Het snijden van materialen op hoge snelheid veroorzaakt slijtage aan het gereedschap.
• Het kan een uitdaging zijn voor CNC om complexe geometrieën te verkrijgen met diepe vormen (bijvoorbeeld diepte-breedteverhoudingen >5:1).

Vergelijking van spuitgieten en CNC-bewerking

1. Vergelijking van materiaaleigenschappen

Zoals we hebben ontdekt, gebruiken zowel de spuitgiettechniek als CNC verschillende materialen. Dit betekent dat ze unieke eigenschappen hebben. Een veelgebruikte spuitgietlegering is bijvoorbeeld aluminium A380. Deze legering heeft een treksterkte van ongeveer 310 MPa en een vloeigrens tot 159 MPa.

CNC machines gebruiken ook Aluminium 6061. Dat heeft een treksterkte van 310 MPa en een vloeigrens van 276 MPa.

2. Tolerantievergelijking

Voor kleine onderdelen via spuitgieten zijn toleranties rond 0,004 inch (0,1 mm) haalbaar. Door materiaalkrimp en koeleffecten nemen de toleranties echter toe naarmate het onderdeel groter wordt.

CNC-bewerking daarentegen geeft zeer nauwe toleranties, vaak minder dan 0,001 inch (0,025 mm). Dit betekent dat het goed kan werken bij strikte naleving van een patroon.

Voor nauwkeurige uitvoer zijn echter hogere kosten nodig. Als je een tolerantie van 0,075 mm (0,003 inch) wilt halen, kost dat misschien 100 eenheden. Maar een tolerantie van 0,0005 inch (0,012 mm) kan het drievoudige kosten. Dit komt door de toegenomen bewerkingstijd, gereedschapsslijtage en kwaliteitscontrolemaatregelen.

3. Kostenanalyse

Bij spuitgieten zijn de eerste instellingen en gereedschappen inbegrepen. Daarom kost het ongeveer $5.000-$50.000. Het verlaagt echter de kosten per eenheid ($1-$5 per onderdeel) voor een grote order.

CNC-bewerking maakt geen aanspraak op gereedschapskosten. De productiekosten zijn afhankelijk van de materiaalkeuze en de complexiteit van het ontwerp.

4. Doorlooptijdvergelijking

Het instellen van de gereedschappen voor het spuitgieten duurt 4-8 weken voordat het proces begint. Maar als deze gereedschappen eenmaal klaar zijn, kunnen ze snel grote batches produceren.

Er is geen vertraging bij CNC-bewerking. Met dit proces kunnen prototypes binnen 1-3 dagen gemaakt worden. Daarnaast duurt serieproductie 5-10 dagen, afhankelijk van de complexiteit van het ontwerp.

5. Complexiteit van onderdelen

spuitgieten kan eenvoudige tot matig complexe ontwerpen aan. Het ondersteunt dunne wanden en geïntegreerde elementen zoals ribben. Dit proces heeft moeite met het maken van diepe sneden, scherpe interne hoeken en langwerpige onderdelen.

CNC machines kunnen diepere ontwerpen en complexe geometrieën bewerken. Dit proces is langzamer en verhoogt daarom de kosten van grote series.

6. Vergelijking van milieueffecten

Er is minder materiaalafval tijdens het gieten, maar restmateriaal is niet altijd 100% recycleerbaar. Dit komt door oxidatie en onzuiverheden. Ook kost het maken van mallen veel energie.

Het CNC-bewerkingsproces produceert meer afval. U kunt met name metaalspanen hergebruiken. Het koelmiddel heeft echter invloed op het milieu. Dit kan tot 50% worden verminderd met moderne filtratiesystemen.

Beslismatrix voor het kiezen van het juiste proces

Ontwerpoverwegingen voor spuitgieten en CNC-bewerking

Ontwerpregels voor spuitgieten

spuitgieten heeft trekhoeken nodig. Deze hoeken maken het uitwerpen soepeler. Je kunt de trekhoek berekenen met behulp van formules.

Formules bevatten legering-specifieke constanten, meestal 1°-3° per zijde. De berekening wordt ook beïnvloed door het materiaal en de complexiteit van het onderdeel.

Daarnaast kan ook de wanddikte variëren. Aluminium kan bijvoorbeeld 1-1,5 mm worden gebruikt en zink 0,5-1 mm. De dikte zorgt voor een goede doorstroming en voorkomt defecten.

Bovendien is het belangrijkste doel van hoekprofielen en radii om spanningsconcentratie te verminderen en de levensduur van de matrijs te verlengen.

Ontwerpoverwegingen voor CNC-verspaning

Over het algemeen hebben CNC-bewerkingsontwerpen geen ontwerphoeken nodig. Ze kunnen scherpe interne hoeken en verticale wanden maken. Hun ontwerpoptie kan bestaan uit T-sleuven, zwaluwstaarten en diepe kamers. Die hogere diepte-breedteverhoudingen bevatten.

Houd rekening met de toegankelijkheid van gereedschap, want diepe caviteiten hebben langere caviteiten nodig. Dat kan ook trillingen verhogen en geen nauwkeurige resultaten opleveren. Bovendien ondersteunt opspanning de stabiliteit tijdens het bewerken.

Gebruik van simulatiesoftware

Je kunt simulatietools gebruiken om de prestaties van het ontwerp verder te verbeteren. Deze tools maken de gietvormstroom en CNC-gereedschapsbanen zo functioneel mogelijk. Het helpt ook bij het identificeren van defecten zoals poreusheid bij het spuitgieten en klapperen bij machinale bewerking.

Samenwerking tussen ontwerpers en ingenieurs

Probeer vroeg te communiceren met ontwerpers. Bevestig uw eisen om kosteneffectieve en produceerbare onderdelen te maken. Deze stap voorkomt ook diverse aanpassingen en productieproblemen.

Conclusie:

De optie spuitgieten is goed te gebruiken voor grote producties. Het produceert onderdelen sneller tegen een lage snelheid, maar is niet efficiënt voor precisieresultaten. CNC-bewerking daarentegen gebruikt meerdere materialen en biedt een hoge nauwkeurigheid. Deze techniek is echter langzaam en duur.

Beide processen hebben verschillende voor- en nadelen. De keuze hangt volledig af van het soort materiaal of producten dat je produceert.