Odlewanie ciśnieniowe doskonale sprawdza się w przypadku złożonych kształtów o dużej objętości, ale charakteryzuje się niższą precyzją. Obróbka CNC jest precyzyjna i wszechstronna w przypadku prototypów i mniejszych ilości. Odlewanie ciśnieniowe wykorzystuje stopiony metal w formach, podczas gdy CNC odejmuje materiał od litych bloków.  Wybierz odlewanie ciśnieniowe dla masowej produkcji, CNC dla dokładności i elastyczności.

Porównując obie procedury wraz z ich podstawowymi parametrami, można znaleźć lepszą opcję. Dlatego też niniejszy artykuł zawiera szczegółowe informacje na temat odlewania ciśnieniowego i obróbki CNC.

Odlewanie ciśnieniowe: Przegląd i korzyści

Producenci topią wybrane metale zgodnie z ich temperaturą topnienia. Na przykład topią cynk w temperaturze 385°C, a aluminium w temperaturze 660°C. Następnie następuje kolejny etap, odlewanie ciśnieniowe.

Metoda ta polega na podawaniu stopionego metalu do stałej formy pod ciśnieniem 10-175 MPa. Prowadnice przepuszczają metal, a taśmy zbierają jego pozostałości.

Stopiony metal krzepnie w ciągu 5-30 sekund, umożliwiając wyrzut w temperaturze 200-300°C. Musisz wiedzieć, że każdy cykl jest zakończony w ciągu 15-60 sekund.

Biorąc pod uwagę jego zdolność do szybkiej produkcji, można wykonać duże partie za pomocą odlewania ciśnieniowego nawet 10-100 razy szybciej niż w przypadku obróbki CNC.

Zastosowania odlewania ciśnieniowego

Odlewanie ciśnieniowe pomaga w produkcji złożonych części. Przykładowo, można wytwarzać bloki silnika z aluminium o ściankach o grubości 1,5 mm. Metoda ta zapewnia również trwałość i odporność na ciepło.

Części elektroniczne odlewa się z cynku, aby ich cienkościenne obudowy były znacznie lżejsze. Co więcej, w zastosowaniach lotniczych magnez jest wykorzystywany w celu zmniejszenia masy około 30% i zwiększenia wydajności paliwowej.

Procesy odlewania ciśnieniowego

1. Odlewanie wysokociśnieniowe (HPDC):

Ogólnie rzecz biorąc, HPDC działa pod ciśnieniem 10-175 MPa. Wtryskuje metal z prędkością 10-50 m/s. Proces ten doskonale produkuje określone części aluminiowe dla elektroniki lub motoryzacji. Może dodawać cienkie ścianki (1,5-5 mm).

2. Niskociśnieniowe odlewanie ciśnieniowe (LPDC):

Producenci stosują ciśnienie 0,3-1,5 MPa podczas obsługi LPDC. W tym procesie proces wypełniania formy jest bardzo powolny, aby uniknąć wad. Działa lepiej w przypadku części o dużej głębokości około 5-15 mm (piasty kół). Zapewniają również pewną wytrzymałość i trwałość.

3. Odlewanie grawitacyjne:

Metoda ta wykorzystuje grawitację do wypełnienia formy, która jest podgrzewana do temperatury 150-300°C. Umożliwia ona produkcję bardzo prostych części aluminiowych o delikatnych powierzchniach w przystępnych cenach.

Rodzaje stopów i ich właściwości

Proces odlewania ciśnieniowego

Producenci tworzą matryce, które są 10 razy mocniejsze przy użyciu stali (gatunek H13), aby wytrzymać efekt 50 000-1 000 000 cykli. Mogą one kosztować 10,000-200,000 w zależności od projektu, stopu lub innych czynników. Poza tym, ich kluczowe aspekty obejmują:

• Wykorzystują one siłę zacisku wynoszącą około 100-5000 ton (w zależności od rozmiaru części).
• Cykl trwa 15-60 sekund (w zależności od chłodzenia części).
• Ich siła wyrzutu może wynosić około 5-20% siły zacisku.

Ograniczenia odlewania ciśnieniowego

• Kontrola rentgenowska jest konieczna do sprawdzenia porowatości, ponieważ kieszenie powietrzne mogą tworzyć się na głębokości do 1-2 mm.
• Do usuwania części należy używać kątów pochylenia 1-3°.
• Maksymalny rozmiar części może wynosić do 600 mm ze względu na koszty matrycy.

Obróbka CNC: Przegląd i korzyści

Obróbka CNC (Computer Numerical Control) wykorzystuje techniki wspomagane komputerowo. Technologia ta korzysta ze wskazówek komputerów, aby wycinać kształty i przekształcać surowy metal w precyzyjnie zdefiniowane części.

W przypadku odlewania ciśnieniowego, gorący metal wchodzi do środka i wychodzi z niego solidny kształt. Z kolei obróbka CNC wykorzystuje narzędzia tnące do usuwania materiału (metali, tworzyw sztucznych i kompozytów) warstwa po warstwie.

Procedura ta jest jednak odpowiednia dla mniejszej liczby niestandardowych części, prototypów oraz zamówień o niskiej i średniej wartości (1-1000 sztuk)

Proces programowania CNC

Obróbka CNC wykorzystuje narzędzie, które jest utrzymywane przez wrzeciono. Narzędzie to tnie surowiec na stole roboczym. Silnik napędowy odbiera sygnały MCU i odpowiednio porusza wrzecionem. W międzyczasie urządzenie sprzężenia zwrotnego potwierdza poprawność.

Operacje obróbki CNC

Maszyny CNC wykonują trzy typowe zadania:

• Frezowanie
• Obrót
• Wiercenie

Frezowanie

Producenci używają narzędzi obrotowych (500-15 000 obr./min) do frezowania. Wycinają one płaskie i zakrzywione kształty. Przykładem może być frez trzpieniowy z węglików spiekanych o średnicy 10 mm. Pomaga to ciąć stopy aluminium z prędkością 2000 obrotów na minutę do produkcji wsporników silnika.

Obrót

Obracające się wrzeciono mocuje obrabiany przedmiot w miejscu, w którym obraca się on z prędkością do 3000 obrotów na minutę.) W międzyczasie narzędzia tnące lub stacjonarne obracają się wzdłuż osi wrzeciona i nadają materiałowi cylindryczny (śrubowy lub rurowy) kształt.

Wiercenie

Proces wiercenia wymaga wykonania otworów w częściach. Zazwyczaj producenci używają wiertła (o średnicy 1-25 mm) z prędkością 500-1 500 obr. Przykładowo, wykonują otwory w plastikowej obudowie przy użyciu wierteł o średnicy 5 mm.

Przykłady części obrabianych CNC

Obróbka CNC zajmuje 3 godziny, aby wyprodukować prototyp aluminiowego przegubu robota o średnicy 100 mm. Ta część może zapewnić dokładność do 0,02 mm.

W implantach medycznych producenci polerują kobaltowo-chromowe protezy stawu kolanowego do Ra 0,4 µm. Pozwala to na płynny ruch.

Tytanowe łopatki turbin lotniczych wytrzymują temperaturę 800°C. Części te są wykonywane przy użyciu 5-osiowych frezarek CNC z precyzją 0,01 mm.

Rodzaje maszyn CNC i ich możliwości

3-osiowe frezarki CNC

Zawiera trzy podstawowe osie (X, Y, Z). Porusza się w lewo-prawo, przód-tył i góra-dół. Pomimo ograniczonych możliwości ruchu, może obsługiwać części o długości około 600 mm. 3 osie tworzą kształty 3D dla części takich jak skrzynie biegów z dokładnością ±0,05 mm.

5-osiowe frezarki CNC

Maszyna ta przechyla i obraca narzędzia. Narzędzia te mogą wycinać bardzo trudne kształty (np. łopatki turbin) w jednym ustawieniu. Można uzyskać części z dokładnością ±0,02 mm.

Tokarki CNC

Ten rodzaj maszyny CNC specjalizuje się w częściach okrągłych. Może chwytać materiały o szerokości do 300 mm. Za jej pomocą można wycinać gwinty o grubości nawet 0,5 mm.

Oprzyrządowanie w obróbce CNC

Producenci wytwarzają narzędzia skrawające CNC, zwykle z węglików spiekanych (trwałość 200-400 minut). Innym materiałem może być stal szybkotnąca (HSS, 100-200 minut) lub ceramika (do pracy w wysokiej temperaturze).

Ponadto można zwiększyć żywotność tych narzędzi, stosując kilka powłok, takich jak azotek tytanu (TiN). Warstwy powłoki sprawiają, że narzędzie 50% jest szybsze i nie zużywa się. Przykładowo, powlekane wiertła są w stanie wykonać 500 otworów w stali nierdzewnej z prędkością 0,2 mm na obrót.

Uchwyty narzędziowe wykorzystują siłę hydrauliczną (do 200 barów). Zaciskają one mocno narzędzia, minimalizując wibracje podczas cięcia.

Materiały do obróbki CNC

Ograniczenia obróbki CNC:

• Obróbka CNC usuwa materiał powoli.
• Jego prędkości posuwu wynoszą zazwyczaj od 0,1 do 0,5 mm/ząb, co jest nieefektywne w przypadku dużych zamówień.
• Cięcie materiałów z dużą prędkością powoduje zużycie narzędzia.
• Uzyskanie złożonych geometrii z głębokimi elementami (np. stosunek głębokości do szerokości >5:1) może być wyzwaniem dla CNC.

Porównanie odlewania ciśnieniowego i obróbki CNC

1. Porównanie właściwości materiałów

Jak się dowiedzieliśmy, zarówno technika odlewania ciśnieniowego, jak i CNC wykorzystują różne materiały. Oznacza to, że mają one unikalne właściwości. Przykładowo, powszechnie stosowanym stopem do odlewów ciśnieniowych jest aluminium A380. Stop ten charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie około 310 MPa i granicą plastyczności do 159 MPa.

Podobnie, maszyny CNC wykorzystują aluminium 6061. Oferuje ono wytrzymałość na rozciąganie 310 MPa i granicę plastyczności 276 MPa.

2. Porównanie tolerancji

W przypadku małych części odlewanych ciśnieniowo można uzyskać tolerancje rzędu 0,004 cala (0,1 mm). Jednak kurczenie się materiału i efekty chłodzenia zwiększają tolerancje wraz z rozmiarem części.

Z kolei obróbka CNC zapewnia bardzo wąskie tolerancje, często poniżej 0,001 cala (0,025 mm). Oznacza to, że może działać dobrze, gdy ściśle przestrzega się wzoru.

Jednak uzyskanie dokładnych wyników wymaga wyższych kosztów. Jeśli chcesz osiągnąć tolerancję 0,003 cala (0,075 mm), może to kosztować 100 jednostek. Tymczasem tolerancja 0,0005 cala (0,012 mm) może potroić ten koszt. Wynika to ze zwiększonego czasu obróbki, zużycia narzędzi i środków kontroli jakości.

3. Analiza kosztów

Odlewanie ciśnieniowe obejmuje wstępną konfigurację i oprzyrządowanie. Dlatego kosztuje około $5,000-$50,000. Zmniejsza to jednak każdy koszt jednostkowy ($1-$5 za część) w przypadku dużego zamówienia.

Obróbka CNC nie wiąże się z kosztami narzędzi. Koszt produkcji zależy od wyboru materiału i poziomu złożoności projektu.

4. Porównanie czasu realizacji

Konfiguracja narzędzi do odlewania ciśnieniowego zajmuje 4-8 tygodni przed rozpoczęciem procesu. Jednakże, gdy narzędzia są gotowe, mogą szybko produkować duże partie.

Obróbka CNC nie powoduje opóźnień w oprzyrządowaniu. Proces ten pozwala na wykonanie prototypów w ciągu 1-3 dni. Dodatkowo, produkcja seryjna zajmuje 5-10 dni w zależności od złożoności projektu.

5. Złożoność części

Odlewanie ciśnieniowe może obsługiwać proste i średnio złożone projekty. Obsługuje cienkie ścianki i zintegrowane elementy, takie jak żebra. Proces ten zmaga się z wykonywaniem głębokich cięć, ostrych narożników wewnętrznych i długich części.

Maszyny CNC mogą pracować nad głębszymi projektami i złożonymi geometriami. Proces ten jest wolniejszy, dlatego zwiększa koszty dużych partii.

6. Porównanie wpływu na środowisko

Podczas operacji odlewania powstaje mniej odpadów materiałowych, ale resztki materiału nie zawsze 100% nadają się do recyklingu. Dzieje się tak z powodu utleniania i zanieczyszczeń. Ponadto produkcja form zużywa znaczną ilość energii.

W procesie obróbki CNC powstaje więcej złomu. W szczególności można ponownie wykorzystać metalowe wióry. Jednak czynnik chłodzący ma wpływ na środowisko. Można to zredukować do 50% przy użyciu nowoczesnych systemów filtracji.

Matryca decyzyjna dla wyboru właściwego procesu

Uwagi projektowe dotyczące odlewania ciśnieniowego i obróbki CNC

Zasady projektowania odlewów ciśnieniowych

Odlewanie ciśnieniowe wymaga kątów pochylenia. Kąty te sprawiają, że proces wyrzucania jest płynniejszy. Kąt pochylenia można obliczyć za pomocą wzorów.

Wzory zawierają stałe specyficzne dla stopu, zwykle 1°-3° na stronę. Na obliczenia ma również wpływ materiał i złożoność części.

Dodatkowo, grubość ścianek również może się różnić. Na przykład aluminium może mieć grubość 1-1,5 mm, a cynk 0,5-1 mm. Grubość zapewnia prawidłowy przepływ i zapobiega powstawaniu wad.

Co więcej, głównym zadaniem zaokrągleń i promieni jest zmniejszenie koncentracji naprężeń i zwiększenie trwałości formy.

Uwagi projektowe dotyczące obróbki CNC

Ogólnie rzecz biorąc, projekty obróbki CNC nie wymagają kątów pochylenia. Mogą tworzyć ostre narożniki wewnętrzne i pionowe ściany. Ich opcje projektowe mogą obejmować rowki teowe, jaskółcze ogony i głębokie kieszenie. Mają one wyższy stosunek głębokości do szerokości.

Należy wziąć pod uwagę dostęp do narzędzia, ponieważ głębokie wgłębienia wymagają dłuższych narzędzi. Może to również zwiększać wibracje i nie zapewniać dokładnych wyników. Ponadto mocowanie zapewnia stabilność podczas obróbki.

Korzystanie z oprogramowania symulacyjnego

Możesz użyć narzędzi symulacyjnych, aby dopracować wydajność projektu. Narzędzia te sprawiają, że przepływ form odlewniczych i ścieżki narzędzi CNC są tak funkcjonalne, jak to tylko możliwe. Pomagają również w identyfikacji wad, takich jak porowatość w odlewach ciśnieniowych i drgania w obróbce skrawaniem.

Współpraca między projektantami i inżynierami

Staraj się wcześnie komunikować z projektantami. Potwierdź swoje wymagania, aby produkować opłacalne i możliwe do wyprodukowania części. Ten krok zapobiega również wielu modyfikacjom i problemom produkcyjnym.

Wnioski:

Opcja odlewania ciśnieniowego jest dobra w przypadku dużej produkcji. Pozwala ona na szybsze wytwarzanie części przy niskim tempie, ale nie jest wydajna pod względem precyzji. Z kolei obróbka CNC wykorzystuje wiele materiałów i zapewnia wysoką dokładność. Technika ta jest jednak powolna i kosztowna.

Oba procesy mają różne wady i zalety. Wybór całkowicie zależy od rodzaju produkowanego materiału lub produktu.