Zarówno formowanie wtryskowe, jak i odlewanie ciśnieniowe metali przekształcają model CAD w gotowy element metalowy bez konieczności wycinania go z bloku, a oba są sprzedawane z obietnicą uzyskania finalnego kształtu w dużych ilościach. To podobieństwo powierzchni jest powodem, dla którego tak wiele rozmów o zaopatrzeniu rozpoczyna się od porównania cen, a kończy niewłaściwym procesem. Te dwie drogi rozchodzą się w kwestii, która decyduje o większości projektów, zanim koszty w ogóle staną się istotne: jakie stopy można poddać obróbce. Odlewanie ciśnieniowe sprawdza się w przypadku metali nieżelaznych o niższej temperaturze topnienia; formowanie wtryskowe metali sprawdza się w przypadku drobnoziarnistego proszku i spiekania wysokotemperaturowego, co otwiera drogę do stali nierdzewnych i innych systemów żelaznych.
Porównanie to opiera się na kryteriach, które kupujący faktycznie ocenia – kompatybilności stopów, rozmiarze i geometrii części, tolerancji i wykończenia, ekonomii narzędzi i objętości, właściwości mechanicznych oraz postprodukcji – a nie na nazwach procesów. Najpierw pojawia się macierz podsumowująca dla czytelników, którzy są bliscy podjęcia decyzji, a następnie kolejno każde kryterium, alternatywy w przypadku, gdy żaden proces nie spełnia oczekiwań, sposób, w jaki NOBLE wspiera programy w obu kierunkach, oraz odpowiedzi na najczęściej pojawiające się pytania.
Formowanie wtryskowe metali vs odlewanie ciśnieniowe w skrócie
| Kryterium | Formowanie wtryskowe metali (MIM) | odlewów |
| Rodzina stopów | Drobny proszek metalowy plus spoiwo; stale nierdzewne, stale niskostopowe, systemy specjalistyczne, w tym tytan i węglik spiekany, w fazie badań i rozwoju produkcji | Stopy metali nieżelaznych o niższej temperaturze topnienia: aluminium, cynk, magnez, miedź/mosiądz, stopy na bazie ołowiu i cyny |
| Typowy rozmiar części | Małe, złożone komponenty; proces ten opisuje się jako oferujący niemal nieograniczone możliwości kształtów i funkcji, ale cytowane źródła nie podają porównywalnego maksymalnego rozmiaru | Od ułamka uncji do około 16 uncji (454 g) w praktyce miniaturowej; do około 20 funtów (9 kg) w praktyce ogólnej |
| Typowa ściana | Nie określono w cytowanych odniesieniach MIM | Aluminium nominalnie 0.080–0.120 cala (2–3 mm), 0.050 cala (1.2 mm) praktycznie na małych częściach; cynk nominalnie 0.040–0.060 cala (1–1.5 mm), osiągalne 0.030 cala (0.75 mm) |
| Tolerancja | Proces kształtowania siatki z dobrą kontrolą tolerancji wymiarowej; konkretne opublikowane wartości w dostarczonym materiale to wartości badawcze tytanu-MIM, a nie ogólny standard MIM | Standardowa tolerancja liniowa NADCA wynosi ±0.010 cala (±0.25 mm) na pierwszym calu plus ±0.002 cala na każdy dodatkowy cal w przypadku aluminium; precyzyjne narzędzia zmniejszają ją mniej więcej o połowę |
| Wykończenie powierzchni | Powierzchnia spiekana; badania nad Ti-MIM wskazują na szorstkość wykończenia w porównaniu z innymi metodami MIM ze względu na większy rozmiar cząstek | Około 32–63 µin Ra (0.8–1.6 µm) w przypadku odlewu z nowego stempla, zwiększając grubość w miarę pękania stempla pod wpływem ciepła |
| Obróbka | Wielogniazdowe narzędzia umożliwiają wysoką wydajność produkcji; zielone części są formowane w nadwymiarach i kurczą się podczas spiekania | Zespół utwardzonej matrycy H13; budowa i próbkowanie trwają około 10–16 tygodni |
| Pasmo wolumenu ekonomicznego | Przeznaczony do masowej produkcji części o złożonych kształtach; podany materiał nie zapewnia progu rentowności MIM | Narzędzia rzadko przynoszą zwrot poniżej około 5,000 części rocznie; matryce jedno- lub dwugniazdowe dają zwrot od 10 000 do 100 000; matryce wielogniazdowe dają zwrot powyżej 250 000 |
| Współczynnik cyklu | Konwencjonalna maszyna do formowania wtryskowego; czas cyklu nie jest podany w cytowanych odniesieniach MIM | 15–60 sekund na strzał; wypełnienie bramki w 20–100 milisekund |
| Osiągalna geometria | Prawie nieograniczone możliwości kształtowania i tworzenia cech geometrycznych; do zielonej części można dodać podcięcia i otwory poprzeczne poprzez obróbkę mechaniczną | Skomplikowane kontury z wtopionymi występami i żebrami; wymagany pochylenie, działania boczne zwiększają koszt narzędzi i czas cyklu |
| Przetwarzanie końcowe | Wybijanie, obróbka skrawaniem, obróbka cieplna, powlekanie i inne operacje wtórne w celu uzyskania węższych tolerancji lub ulepszonych właściwości | Przycinanie, obróbka otworów o krytycznym znaczeniu, gratowanie, wykańczanie wibracyjne, impregnacja i powlekanie |
Przed skorzystaniem z tabeli należy zachować ostrożność: obie kolumny nie są mierzone w ten sam sposób. Wartości tolerancji odlewów ciśnieniowych i wykończenia pochodzą z norm NADCA oraz dokumentacji procesowej dotyczącej odlewów ciśnieniowych w produkcji. Wartości tolerancji MIM dostępne w cytowanym materiale pochodzą z przeglądu badań nad tytanowymi elementami MIM, którego autor zauważa, że zakres tolerancji w tych obszarach nie dorównuje jeszcze innym technologiom MIM. Wiersz MIM należy traktować jako kierunkowy i potwierdzić istotne wartości z dostawcą wyceniającym część.
Kryteria oceny: Jak porównać formowanie wtryskowe metali i Die Casting
Pięć kryteriów stanowi najważniejszą część decyzji o wyborze formowania wtryskowego lub odlewania ciśnieniowego metali i należy je stosować w podanej kolejności.
Kompatybilność stopu jest najważniejsza, ponieważ jest to wlot, a nie nacięcie. Jeśli element musi być wykonany ze stali nierdzewnej, konwencjonalne odlewanie ciśnieniowe nie ma miejsca ze względu na temperaturę topnienia i żadna optymalizacja narzędzi tego nie zmieni. Jeśli element jest obudową aluminiową, MIM nie jest naturalnym rozwiązaniem. Rozstrzygnij kwestię stopu, zanim porównasz cokolwiek innego.
Rozmiar i geometria części wyznaczają fizyczną otoczkę. Odlewnictwo ciśnieniowe ma opublikowane zakresy rozmiarów i reguły dotyczące grubości ścianek; zaletą MIM jest swoboda kształtowania w małej skali, a cytowane źródła nie podają porównywalnego limitu wielkości. Decyduje się tutaj o części, która jest zbyt duża dla jednego procesu lub ma cechy, których inny nie może uformować.
Tolerancja i wykończenie powierzchni decydują o tym, ile dodatkowej obróbki będzie wymagać dana część. Wymiary odlewu lub spieku rzadko spełniają wszystkie wymagania, więc prawdziwe pytanie brzmi, które elementy muszą zostać obrobione i co to wnosi.
Ekonomia narzędzi i wolumenu przekłada się na pieniądze. Oba procesy wiążą się ze znacznymi stałymi kosztami narzędzi i niskim kosztem jednostkowym w ujęciu ilościowym, dlatego zakres wolumenu ma równie duże znaczenie jak cena jednostkowa.
Właściwości mechaniczne i obróbka końcowa decydują o tym, czy gotowy element zachowuje się zgodnie z wymaganiami — gęstość, porowatość, spawalność, podatność na obróbkę cieplną — oraz jakie etapy wykończeniowe są wymagane w danym zastosowaniu.
Uruchomienie kryteriów w tej kolejności pozwala uniknąć częstego błędu polegającego na wycenianiu dwóch procesów dla części, którą fizycznie może wytworzyć tylko jeden z nich.
Kompatybilność stopów i materiałów
Odlewnictwo ciśnieniowe opiera się na stopach, których temperatura topnienia pozwala na przetrwanie maszyny i matrycy. Większość odlewów ciśnieniowych wykonuje się z metali nieżelaznych – cynku, miedzi, aluminium, magnezu, ołowiu, cyny i stopów na bazie cyny – a architektura maszyny dostosowuje się do temperatury topnienia.
Normalna żywotność matrycy dla stopu odlewniczego, według przewodnika odlewnictwa ciśnieniowego Uddeholm. Wartości stanowią typowe zakresy dla matryc i rdzeni produkcyjnych; rzeczywista żywotność zależy od materiału matrycy, obróbki cieplnej i kontroli procesu i nie jest gwarantowana.
Maszyny z gorącą komorą odlewniczą utrzymują cylinder wtryskowy zanurzony w stopie. Stosuje się w nich stopy cynku, magnezu i ołowiu, których temperatury topnienia są wystarczająco niskie, aby nie uszkodzić stalowego tłoka; Zamak 3 topi się w temperaturze około 390°C (730°F). Maszyny z zimną komorą odlewniczą utrzymują piec w osobnej komorze i wlewają odmierzoną dawkę do nieogrzewanej tulei w każdym cyklu. Aluminium, odlewane w temperaturze około 620–675°C (1,150–1,250°F), rozpuściłoby zanurzony cylinder z gorącą komorą odlewniczą, dlatego aluminium jest zawsze odlewane w zimnej komorze.
Formowanie wtryskowe metali opiera się na innym założeniu. Bardzo drobne proszki metali pierwiastkowych lub stopowych – zazwyczaj poniżej 30 mikrometrów – miesza się na gorąco z termoplastycznym spoiwem, aż do pokrycia każdej cząstki, a następnie granuluje w granulki surowca. Spoiwa stanowią zazwyczaj 40% objętości surowca. Element jest formowany na konwencjonalnej wtryskarce, oddzielany od materiału i spiekany w kontrolowanej atmosferze w temperaturze około 85% temperatury topnienia metalu. Element ze stali nierdzewnej może być podgrzewany do 1,350–1,400°C.
To właśnie spiekanie pozwala MIM dotrzeć do stopów, których odlewanie ciśnieniowe praktycznie nie jest możliwe. Kompromisem jest wieloetapowy proces – mieszanie, formowanie, usuwanie lepiszcza, spiekanie – gdzie usuwanie lepiszcza jest opisywane w literaturze jako etap najbardziej krytyczny, ponieważ decyduje o powodzeniu lub niepowodzeniu procesu.
Dlaczego odlewanie ciśnieniowe zwykle nie jest stosowane do stali nierdzewnej
Zakres temperatur topnienia stali nierdzewnej znacznie przekracza zakres tolerancji systemu z zanurzoną komorą grzejną, a nawet wystrzał z komory zimnej w tej temperaturze spowodowałby znaczne obciążenie cieplne stali matrycy. Dane dotyczące trwałości matryc wyraźnie to pokazują. W przypadku odlewów aluminiowych w temperaturze około 700°C, pęknięcia cieplne, erozja i wgniecenia ograniczają normalną żywotność matrycy do około 60 000–200 000 uderzeń na matrycę i 40 000–150 000 uderzeń na rdzeń. W przypadku miedzi/mosiądzu w temperaturze około 970°C te same mechanizmy skracają normalną żywotność do 5 000–50 000 uderzeń na matrycę i 1 000–5 000 uderzeń na rdzeń. Stal nierdzewna topi się znacznie powyżej obu tych wartości.
Ograniczenie ma charakter praktyczny, a nie bezwzględny: żywotność matrycy spada wraz ze wzrostem temperatury odlewu, a w temperaturach stali nierdzewnej ekonomika hartowanej matrycy spada. Dlatego proces ten jest określany jako proces odlewania stopów metali nieżelaznych, a odlewy stalowe są wymienione jako nienadające się do odlewania ciśnieniowego w tabelach porównawczych procesów.
Co formowanie wtryskowe metali może zrobić ze stopami żelaza i stopami specjalnymi
Obszar materiałowy MIM koncentruje się na systemach żelaznych – stalach nierdzewnych i niskostopowych – oraz materiałach specjalistycznych. MIM produkuje spiekany węglik wolframu (WC-Co), a badania koncentrują się na metodach spiekania, takich jak spiekanie mikrofalowe, które ograniczają wzrost ziarna i zachowują twardość. Tytan MIM to aktywny obszar badawczy: Ti-6Al-4V jest zdecydowanie najpopularniejszym stopem, a w przeglądzie zauważono, że w procesie prasowania izostatycznego na gorąco Ti-6Al-4V osiągnął wytrzymałość na rozciąganie 975 MPa przy wydłużeniu 14%, podobnie jak materiał przetworzony plastycznie, podczas gdy spiekany tytan w najlepszym opisanym przypadku osiągnął 920 MPa przy wydłużeniu 11% przy gęstości 98%. Zmęczenie i odporność na pękanie były zazwyczaj niższe niż w przypadku porównywalnego produktu przetworzonego plastycznie.
Należy zachować uczciwość: te dane dotyczące tytanu pochodzą z przeglądu technologii Ti-MIM, a w tym samym przeglądzie stwierdzono, że tolerancja w przypadku Ti-MIM nie dorównuje jeszcze tym w przypadku innych technologii MIM, a powierzchnia spieku jest bardziej szorstka ze względu na większy rozmiar cząstek.
Rozmiar części, grubość ścianki i geometria
Odlewnictwo ciśnieniowe ma dobrze udokumentowane zakresy wymiarów. Ogólna praktyka obejmuje części o masie od kilku gramów do około 9 kg (20 funtów); odlewanie ciśnieniowe miniaturowe obejmuje części o masie od ułamka uncji do około 454 g (16 uncji). Grubość ścianki zależy od stopu: odlewy aluminiowe mają nominalną grubość ścianki 0.080–0.120 cala (2–3 mm), przy czym w przypadku małych części praktyczna jest grubość 0.050 cala (1.2 mm), natomiast cynk jest cieńszy, osiągając grubość 0.040–0.060 cala (1–1.5 mm) nominalnie i 0.030 cala (0.75 mm). Grube przekroje są w tym przypadku gorsze od cienkich, ponieważ ciężkie przekroje krzepną ostatnie i zachowują porowatość skurczową; każdy przekrój o grubości większej niż około 1.5-krotność nominalnej grubości ścianki powinien zostać wydrążony.
Technologia MIM jest opisywana jako oferująca niemal nieograniczone możliwości kształtowania i geometrii, z możliwością uzyskania wysokiej wydajności produkcji przy użyciu narzędzi wielogniazdowych. Cytowane źródła nie podają porównywalnego pułapu wielkości dla technologii MIM, więc niniejsze porównanie nie może go podać. Można jednak stwierdzić, że zaletą technologii MIM jest złożoność w małej skali, a nie rozmiar koperty.
Pochylenie, żebra i elementy rdzeniowe w odlewnictwie ciśnieniowym
Zasady projektowania odlewów ciśnieniowych nadają kształt części przed wycięciem narzędzia. Aluminium wymaga pochylenia około 1° na ściankach zewnętrznych i 2° na rdzeniowanych powierzchniach wewnętrznych; cynk, który mniej agresywnie chwyta rdzeń, wystarcza na około połowę tego, a rdzenie głębokie wymagają większego kąta. Minimalny promień zaokrąglenia wynosi około 1.5 mm (0.060 cala), a zaokrąglenie równe sąsiedniej ściance jest lepsze — ostre narożniki wewnętrzne są punktami wzrostu naprężeń w odlewie i miejscami inicjacji pęknięć cieplnych w matrycy. Żebra powinny przebiegać około 0.6-krotnie krócej niż nominalna ścianka, aby się nie zagłębiały, z pochyleniem 1–2° na stronę. Minimalna średnica rdzenia wynosi około 2.5 mm (0.10 cala) w aluminium i 1.5 mm (0.060 cala) w cynku, przy czym głębokość rdzenia nie może przekraczać 4-krotności średnicy; małe lub głębokie otwory są tańsze do wywiercenia po odlaniu niż do rdzeniowania.
Linie podziału niosą ze sobą karę za tolerancję. Wymiary przecinające linię podziału zależą od tego, jak ściśle połówki matrycy się zamykają i mają większą tolerancję niż wymiary zawarte w jednej połówce matrycy, a ruchome elementy matrycy dodają własny naddatek do tolerancji liniowej.
Podcięcia, otwory poprzeczne i elementy dodane po formowaniu
MIM osiąga swobodę geometryczną inną drogą. Jeśli dodatkowe cechy konstrukcyjne nie są możliwe do wykonania podczas formowania – na przykład podcięcia lub otwory poprzeczne – można je dodać do gotowej części na tym etapie poprzez obróbkę skrawaniem lub inną operację wtórną, przed usunięciem spoiwa i spiekaniem. Gotowa część jest nadal miękka i w pełni uformowana, więc jest to praktyczny sposób na uzyskanie cech, których forma nie mogłaby uwolnić.
Odlewnictwo ciśnieniowe rozwiązuje ten sam problem z mechanizmami bocznymi: suwakami i rdzeniami, które ciągną w kierunku innym niż główny otwór matrycy. Każdy mechanizm boczny zwiększa koszty oprzyrządowania, wydłuża cykl i zwiększa liczbę punktów konserwacji, dlatego wytyczne dotyczące projektowania odlewów ciśnieniowych umieszczają redukcję liczby suwaków na szczycie listy sposobów redukcji kosztów. Zmiana orientacji części lub przeniesienie elementu na płaszczyznę podziału jest często tańsze niż dodanie suwaka.
Tolerancja, Wykończenie powierzchni i powtarzalność
Tolerancja odlewów ciśnieniowych jest znormalizowana. Standardowa tolerancja liniowa NADCA dla aluminium wynosi ±0.010 cala (±0.25 mm) na pierwszym calu plus ±0.002 cala na każdy dodatkowy cal; cynk i magnez mają te same standardowe wartości, podczas gdy miedź jest luźniejsza i wynosi ±0.014 cala (±0.36 mm). Precyzyjne narzędzia i ściślejsza kontrola procesu zmniejszają te wartości o połowę. Wykończenie powierzchni w stanie surowym wynosi około 32–63 µin Ra (0.8–1.6 µm) od nowej matrycy i zwiększa się wraz z pękaniem matrycy pod wpływem ciepła, ponieważ wzór pęknięć zmęczeniowych cieplnych przenosi się na powierzchnię elementu.
Skurcz spiekowy odnotowany dla formowania wtryskowego metalu. Część surowa jest formowana w nadwymiar i kurczy się izotropowo podczas spiekania; dokładna wartość zależy od objętości spoiwa, dlatego narzędzie jest docinane w celu kompensacji, a nie korygowania rysunku.
Proces MIM jest opisywany jako proces o kształcie netto z dobrą kontrolą tolerancji wymiarowej, ale konkretne wartości podane w dostarczonym materiale to wartości badawcze tytanu i MIM: współczynnik zmienności 0.1% w jednym opisanym przypadku i 0.08%–0.65% w mniej szczegółowych raportach, a także odchylenia masy od 0.5% do ponad 1%. Nie są to ogólne standardy MIM, a sama recenzja wskazuje, że Ti-MIM potencjalnie zbliża się do innych metod MIM, zamiast im dorównywać. W przypadku części produkcyjnej MIM, tolerancja projektowa jest taka, jaką zobowiązuje się dostawca.
Skurcz: projektowanie narzędzia dla wymiaru gotowego
Skurcz jest kluczowym czynnikiem branym pod uwagę przy oprzyrządowaniu w technologii MIM. Gotowy element jest o około 20% większy we wszystkich wymiarach niż gotowy, zależnie od objętości spoiwa, a skurcz spiekania wynosi zazwyczaj 18–22%, również zależnie od objętości spoiwa. Element kurczy się izotropowo do wymiarów projektowych w miarę usuwania porów i łączenia się cząstek metalu. Dlatego narzędzie jest wycinane nadwymiarowo, aby element po spiekaniu znalazł się na rysunku.
Odlewanie ciśnieniowe podlega tym samym prawom fizyki, ale przy współczynniku kontrakcji — mnożniku stosowanym do wymiarów odlewu w celu uzyskania wymiarów matrycy, uwzględniającym różne współczynniki rozszerzalności cieplnej stali i stopu, a także temperaturę pracy matrycy.
W obu procesach kompensacja należy do producenta narzędzi, a nie do klienta. Rysunek części zachowuje wymiary końcowe; gniazdo formy lub matrycy uwzględnia naddatek na skurcz. Klient musi dostarczyć czytelny rysunek z tolerancjami i krytycznymi cechami, a dostawca musi dostarczyć narzędzie zaprojektowane tak, aby część w stanie surowym spełniała te wymagania.
Operacje wtórne w celu zaostrzenia tolerancji
Żaden z procesów nie zapewnia zachowania wszystkich cech zgodnie z ostateczną tolerancją w momencie formowania. Części MIM przechodzą przez proces wybijania, obróbki skrawaniem, obróbki cieplnej, powlekania i inne operacje wtórne, gdy wymagane są węższe tolerancje lub ulepszone właściwości. Odlewy ciśnieniowe przechodzą przez proces przycinania, obróbki otworów o krytycznym znaczeniu, gratowania, obróbki wibrościernej, impregnacji żywicą w przypadku części szczelnych ciśnieniowo oraz powlekania.
Koszt tych operacji jest często niedoszacowany. W odlewnictwie ciśnieniowym przycinanie, obróbka skrawaniem, gratowanie i impregnacja często kosztują więcej niż sam cykl odlewania, dlatego wycena, która porównuje tylko etap odlewania, nie uwzględnia części, które faktycznie zostaną zamontowane.
Obróbka, objętość i ekonomiki kosztów
Struktura kosztów różni się w zależności od tego, gdzie przeznaczane są pieniądze, a nie tylko w zależności od ich wysokości.
W odlewnictwie ciśnieniowym dominuje matryca. Matryca produkcyjna to hartowany zespół H13, którego wykonanie i wykonanie próbek zajmuje około 10–16 tygodni, a następnie 2–4 tygodnie na wydanie produktu do produkcji. Poniżej około 5,000 części rocznie oprzyrządowanie rzadko się zwraca, a zamiast tego wygrywa odlewanie precyzyjne, odlewanie piaskowe lub obróbka z wlewków. Przy produkcji od 10 000 do 100 000 części standardem jest matryca jedno- lub dwugniazdowa; powyżej 250 000 matryce wielogniazdowe i maszyny o większej wydajności proporcjonalnie skracają czas obróbki na część. Koszt oprzyrządowania stanowi około 10–20% całkowitego kosztu gotowego odlewu ciśnieniowego z aluminium, a sama stal matrycowa stanowi zaledwie 5–15% kosztu matrycy — resztę stanowi obróbka skrawaniem, obróbka cieplna i wykonanie.
Ekonomia MIM opiera się na wielogniazdowym oprzyrządowaniu, umożliwiającym wysoką wydajność produkcji, dlatego proces ten jest ukierunkowany na masową produkcję części o złożonych kształtach. Wymieniony materiał nie zapewnia progu rentowności MIM, więc uczciwe stwierdzenie jest trafne: MIM generuje stałe koszty oprzyrządowania i surowca oraz niski koszt jednostkowy przy produkcji wolumenowej, a jego efektywność poprawia się wraz ze wzrostem wolumenu i złożoności geometrii.
Gdzie trafiają pieniądze w każdym procesie
W odlewnictwie ciśnieniowym koszt jednostkowy to sekundy pracy maszyny plus masa stopu plus operacje wtórne. Czas obróbki jest krótki – cykle 15–60 sekund, a wypełnienie wlewu w 20–100 milisekund – dlatego etap odlewania rzadko jest kosztowny. Czynności wtórne to: przycinanie, obróbka skrawaniem, gratowanie i impregnacja, które często kosztują więcej niż sam cykl odlewania. Wybór stopu również wpływa na cenę, ponieważ matryce cynkowe są trwalsze niż matryce aluminiowe o około rząd wielkości i mają krótszy cykl, co często kompensuje wyższy koszt metalu w przypadku małych elementów.
W procesie MIM czynnikami kosztowymi są surowiec, obróbka cieplna i materiały wtórne. Surowcem jest drobny proszek plus spoiwo, którego zawartość wynosi zazwyczaj 40% objętości. Procesy usuwania lepiszcza i spiekania pochłaniają czas pracy pieca i kontrolowaną atmosferę, a spiekanie to długi, precyzyjnie monitorowany profil temperaturowy, a nie szybki cykl. Do tego dochodzą operacje wtórne – wybijanie, obróbka skrawaniem, obróbka cieplna i powlekanie. Podczas gdy koszty stałe odlewania ciśnieniowego koncentrują się w matrycy ze stali obrabianej mechanicznie, w procesie MIM rozkładają się na oprzyrządowanie, proszek i wydajność pieca.
Wybór pasma głośności
Kierunkowo: niski wolumen sprzyja obróbce mechanicznej, odlewaniu precyzyjnemu lub odlewaniu piaskowemu, gdzie oprzyrządowanie jest niewielkie lub nie występuje; średni wolumen sprzyja prostej matrycy lub MIM, w zależności od stopu, ponieważ matryca jedno- lub dwugniazdowa jest standardowa w przypadku produkcji od 10 000 do 100 000 części, a oprzyrządowanie MIM amortyzuje się w podobnym rzędzie wielkości; wysoki wolumen sprzyja oprzyrządowaniu wielogniazdowemu w obu procesach. Są to pasma kierunkowe zaczerpnięte z cytowanych źródeł, a nie uniwersalne progi — rozmiar części, stop, tolerancja i liczba gniazd zmieniają punkt przecięcia, a wycena jest jedyną wiarygodną wartością dla konkretnej części.
Właściwości mechaniczne i przetwarzanie końcowe
Części MIM osiągają 96–99% gęstości teoretycznej po spiekaniu w kontrolowanej atmosferze, a powstały metal charakteryzuje się właściwościami mechanicznymi i fizycznymi zbliżonymi do części wyżarzanych wytwarzanych metodą konwencjonalnej obróbki metali – podobnie jak części obrabiane maszynowo z prętów. W przypadku zapotrzebowania na wyższe właściwości, zakres ten można rozszerzyć, stosując operacje dodatkowe, takie jak obróbka cieplna.
Odlewy ciśnieniowe mają inną strukturę. Krzepnięcie rozpoczyna się na powierzchni matrycy i postępuje do wewnątrz, tworząc drobnoziarnistą, niskoporowatą powłokę, zazwyczaj o grubości 0.015–0.020 cala (0.38–0.50 mm), z porowatością skoncentrowaną w rdzeniu między powłokami. Grubość powłoki jest stosunkowo stała i nie jest funkcją całkowitej grubości ścianki, więc elementy cienkościenne mogą być w rzeczywistości wytrzymalsze i bardziej spójne niż elementy grubościenne. Praktyczną konsekwencją tego jest to, że konwencjonalnych odlewów ciśnieniowych zazwyczaj nie można spawać ani poddawać obróbce cieplnej T6, ponieważ uwięziony gaz rozszerza się pod wpływem temperatury i powoduje pęcherzenie elementu. Odlewy ciśnieniowe próżniowe, które zmniejszają ciśnienie w gnieździe formy do 50 milibarów lub mniej, oraz warianty bezporowe redukują uwięziony gaz na tyle, aby umożliwić oba te procesy, przy wyższej cenie procesu. Jeśli wymagane jest spawanie lub obróbka cieplna T6, należy o tym poinformować przed zaprojektowaniem matrycy.
Czy części odlewane ciśnieniowo można obrabiać mechanicznie i montować?
Tak, i oba te procesy są rutynowe. Odlewy ciśnieniowe przechodzą przez proces przycinania, obróbki otworów o krytycznym znaczeniu, gratowania, obróbki wibrościernej, impregnacji żywicą w celu uzyskania szczelnych części oraz powlekania. Odlewy ciśnieniowe są również opisywane jako oferujące ogromne korzyści w zakresie montażu: wlewane piasty, żebra i elementy samouszczelniające mogą zmniejszyć liczbę części, a powierzchnie łożyskowe można czasami włączyć do odlewu, aby wyeliminować konieczność oddzielnego wytwarzania i montażu łożysk.
Należy zachować ostrożność, wybierając głębokość obróbki. Na powierzchniach obrobionych należy uwzględnić głębokość około 0.010–0.030 cala (0.25–0.75 mm), ale nie więcej niż to konieczne. Powłoka chłodząca to najgęstszy i najbardziej odporny na ciśnienie metal w odlewie; głębokie jej cięcie odsłania podpowierzchniową porowatość, która jest częstą przyczyną nieszczelności w obrobionych powierzchniach uszczelniających. W przypadku, gdy szczelność na ciśnienie ma znaczenie, należy starannie dobrać obrobione powierzchnie i określić obszary, zakres i głębokość obróbki wtórnej przed rozpoczęciem budowy matrycy.
Zastosowania: gdzie pasuje każdy proces
Mapa zastosowań odlewów ciśnieniowych jest zgodna z ich stopami i szybkością. Typowe części to obudowy, obudowy przekładni, wsporniki, obudowy złączy i osprzęt, o wadze od kilku gramów do około 9 kg (20 funtów). Aluminium A380 dominuje pod względem objętości; stopy cynku, takie jak Zamak 3 i 5, pozwalają na cieńsze ścianki, drobniejsze detale i znacznie dłuższą żywotność matrycy; magnez AZ91D pozwala na redukcję masy przy wyższych kosztach metalu. Odlewy ciśnieniowe występują w maszynach rolniczych, pojazdach samochodowych, okuciach budowlanych, sprzęcie elektrycznym i elektronicznym, narzędziach ręcznych, sprzęcie gospodarstwa domowego, produktach przemysłowych, instrumentach, sprzęcie ogrodniczym, meblach i maszynach biurowych, elektronarzędziach przenośnych oraz sprzęcie rekreacyjnym.
Komponenty MIM są wykorzystywane między innymi w medycynie i stomatologii, lotnictwie, obronności, motoryzacji i rolnictwie, a także w częściach tnących i eksploatacyjnych z węglika spiekanego. Listy te się pokrywają, a to właśnie jest sednem sprawy: żadna z branż nie jest związana wyłącznie z jednym procesem. Wybór zależy od materiału, a nie od etykiety branżowej.
Motoryzacja i urządzeń przemysłowych
Produkcja wielkoseryjna w przemyśle motoryzacyjnym i przemysłowym – cienkościenne obudowy z metali nieżelaznych, wsporniki, obudowy skrzyń biegów, obudowy złączy – nadaje się do odlewania ciśnieniowego, ponieważ części są na tyle duże, że wymagają matrycy, na tyle proste w demontażu i na tyle liczne, że wymagają amortyzacji. Wszędzie tam, gdzie te same sektory potrzebują małych, złożonych elementów o wyższej temperaturze topnienia, MIM sprawdza się idealnie: swoboda kształtu i kontrola tolerancji kształtu mają większe znaczenie niż rozmiar koperty, a stop może być stalą nierdzewną lub niskostopową, której nie da się odlewać ciśnieniowo.
Dyrektorem, Instrumenty stomatologiczne i precyzyjne
Małe elementy ze stali nierdzewnej i stopów specjalnych w urządzeniach medycznych i stomatologicznych wskazują na zastosowanie technologii MIM, dlatego też medycyna i stomatologia to jeden z rynków obsługiwanych przez ten proces. Obudowy odlewane ciśnieniowo nadal pojawiają się w obudowach urządzeń, gdzie rolę konstrukcyjną pełni obudowa aluminiowa lub cynkowa z elementami odlewanymi. Ponownie, wymagania materiałowe decydują przed przemysłem: element instrumentu ze stali nierdzewnej i obudowa aluminiowa nie konkurują ze sobą w tym samym procesie.
Alternatywy, gdy nie pasuje ani formowanie wtryskowe metalu, ani odlewanie ciśnieniowe
Gdy stop wyklucza odlewanie ciśnieniowe, a objętość lub geometria wyklucza MIM, odpowiedzią jest zazwyczaj jedna z pięciu alternatyw. Zachodzą one na siebie, a nie są uporządkowane w ustalonej kolejności.
Obróbka CNC z półfabrykatu sprawdza się przy małych wolumenach, gdy tolerancje są wąskie i nie ma budżetu na oprzyrządowanie. Charakteryzuje się niemal zerowym zapotrzebowaniem na oprzyrządowanie i wysokim kosztem jednostkowym, a także dostarcza części przed wycięciem jakiegokolwiek narzędzia.
Odlewanie precyzyjne sprawdza się w przypadku stali, stali nierdzewnej i superstopów, przy mniejszych wolumenach oraz w przypadku geometrii z podcięciami lub zerowym pochyleniem, których stalowa matryca nie jest w stanie usunąć. W zależności od stopu, metoda ta pozwala na uzyskanie ścianek o grubości zaledwie około 0.25–1 mm (0.010–0.040 cala), a koszt oprzyrządowania jest znacznie niższy niż w przypadku odlewów ciśnieniowych.
Odlewanie piaskowe sprawdza się w przypadku dużych, prostych części o małej objętości, ponieważ wymaga najmniejszych nakładów na oprzyrządowanie, a operacje wtórne zwiększają koszty wszędzie tam, gdzie wymagana jest precyzja.
Metalurgia proszków z prasowaniem i spiekaniem sprawdza się w przypadku prostszych geometrii objętościowych, gdzie matryca może bezpośrednio wytłoczyć kształt, a swoboda kształtowania charakterystyczna dla MIM nie jest potrzebna.
Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych sprawdza się w przypadkach, gdy część nie musi być w ogóle metalowa.
Obróbka skrawaniem i odlewanie precyzyjne jako opcje pomostowe
Obróbka skrawaniem odgrywa szczególną rolę w programie odlewania lub MIM: dostarcza części przed powstaniem oprzyrządowania, dzięki czemu projekt można testować i modyfikować w trakcie wyceny lub budowy narzędzia produkcyjnego. Po ustabilizowaniu projektu, obrobiony element można zastąpić procesem odlewania lub MIM. Wskazówki dotyczące odlewania ciśnieniowego odnoszą się do tego samego zagadnienia z drugiej strony — tam, gdzie najpierw należy rozwiązać kwestie projektowe lub terminy realizacji są krótkie, stosuje się alternatywne rozwiązania prototypowania, takie jak odlewanie grawitacyjne lub obróbka z materiału wyjściowego, aby przybliżyć produkt końcowy odlewu ciśnieniowego.
Odlewanie precyzyjne obejmuje stop, którego nie można odlewać ciśnieniowo, a geometria narzędzia MIM może nie być uzasadniona przy niskich wolumenach. Jest to naturalne rozwiązanie, gdy element musi być wykonany ze stali nierdzewnej lub nadstopu, objętość jest poniżej progu akceptowalnego dla narzędzi MIM, a geometria ma podcięcia lub powierzchnie o zerowym oporze.
Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych, gdy metal nie jest wymagany
Jeśli funkcja pozwala na zastosowanie polimeru, formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych wykorzystuje architekturę wtryskarki z MIM, ale eliminuje etapy usuwania lepiszcza i spiekania oraz koszty proszku metalowego. Dlatego przed wyceną jakiegokolwiek procesu obróbki metalu warto zadać sobie pytanie, czy element w ogóle musi być metalowy – a jeśli tak, to czy wymagania dotyczące metalu są strukturalne, termiczne, elektryczne czy kosmetyczne, ponieważ każda odpowiedź wskazuje na inny proces.
Wybór NOBLE jako wsparcia dla projektów formowania wtryskowego i odlewania ciśnieniowego metali
NOBLE to chińska firma produkcyjna z siedzibą w Chinach, będąca jednocześnie chińsko-brytyjskim joint venture, uznana przez rząd za „Narodowe Przedsiębiorstwo High-Tech”. Nasz szeroki zakres usług i doświadczenie w zakresie procesów pomagają klientom sprawnie przejść od prototypów do produkcji seryjnej w programach formowania wtryskowego i odlewania ciśnieniowego metali, a także w zakresie obróbki skrawaniem, wykańczania i montażu.
Program MIM lub odlewania ciśnieniowego rzadko ogranicza się do samego etapu formowania. Wymaga on wprowadzenia projektu pod kątem możliwości produkcji przed wykonaniem narzędzia, koordynacji narzędzi, obróbki wtórnej w celu dostosowania krytycznych cech do tolerancji, wykończenia powierzchni, kontroli zgodności z rysunkiem oraz montażu, jeśli część jest dostarczana jako podzespół. Rolą NOBLE jest uwzględnienie pełnego zakresu, aby program nie był fragmentaryczny między dostawcami, a każde przekazanie wydłużało czas i zwiększało tolerancję.
Od prototypu do produkcji seryjnej
Proces przebiega przez przegląd projektu i analizę wykonalności, wycenę, próbkowanie, a następnie produkcję seryjną, z zastosowaniem tego samego systemu jakości na każdym etapie. W praktyce oznacza to przesłanie plików CAD i złożenie zapytania ofertowego (RFQ) z niezbędnymi informacjami, otrzymanie analizy projektu i przejrzystej wyceny, a następnie przejście do produkcji i dostawy. Usługi szybkiego prototypowania i produkcji niskoseryjnej NOBLE zostały opracowane tak, aby wypełnić lukę między pierwszym artykułem a produkcją finalną, dzięki czemu projekt może zostać zweryfikowany przed zatwierdzeniem oprzyrządowania seryjnego.
Systemy jakości i kompleksowy serwis
Firma NOBLE posiada certyfikaty ISO 9001:2015 i ISO 13485:2016. Dla kupującego norma ISO 9001:2015 oznacza udokumentowany system zarządzania jakością regulujący sposób planowania, produkcji i kontroli części; norma ISO 13485:2016 dodaje system jakości zorientowany na wyroby medyczne, co ma znaczenie, gdy część jest częścią regulowanego programu produkcji urządzeń. W procesie produkcji firma NOBLE przeprowadza pełny proces kontroli IQC, IPQC oraz FQC/OQC, wykorzystując wewnętrzny sprzęt testowo-pomiarowy do weryfikacji zgodności komponentów ze specyfikacją.
Pełna oferta obejmuje cały zakres prac – od projektu po montaż – a nie tylko produkcję. W przypadku projektu MIM lub odlewania ciśnieniowego oznacza to jednego partnera do obsługi procesu DFM, koordynacji oprzyrządowania, obróbki wtórnej, wykańczania, kontroli jakości i montażu, co zmniejsza liczbę przekazów między dostawcami i zapewnia rozliczalność w jednym miejscu. Aby rozpocząć projekt, wystarczy udostępnić rysunki, stop, ilości i wymagania jakościowe, a zespół NOBLE odpowie, przekazując informacje zwrotne dotyczące możliwości produkcji i cenę.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące formowania wtryskowego metali w porównaniu z odlewaniem ciśnieniowym
Który proces powinienem wybrać w przypadku małych, złożonych części ze stali nierdzewnej, których produkcja wynosi dziesiątki tysięcy rocznie?
Stal nierdzewna wyklucza konwencjonalne odlewanie ciśnieniowe w temperaturze topnienia, dlatego prawdziwym porównaniem jest MIM z obróbką skrawaniem i odlewaniem precyzyjnym. Przy dziesiątkach tysięcy sztuk rocznie i złożonej geometrii, oprzyrządowanie MIM amortyzuje się wraz z objętością, a jego swoboda kształtowania i kontrola tolerancji kształtu końcowego są jego zaletą. Obróbka skrawaniem pozostaje rozwiązaniem awaryjnym o niskim poziomie narzędzi, a odlewanie precyzyjne obejmuje geometrię o małej objętości lub zerowym oporze toczenia. Przed podjęciem decyzji należy potwierdzić wymagania dotyczące tolerancji i wykończenia z dostawcą, ponieważ to one decydują o tym, ile dodatkowej obróbki będzie potrzebna dana część.
Dlaczego metodą odlewania ciśnieniowego nie można zazwyczaj wytwarzać części ze stali nierdzewnej?
Maszyny z gorącą komorą przetwarzają wyłącznie niskotopliwe stopy cynku, magnezu i ołowiu. Aluminium w temperaturze około 620–675°C musi być odlewane w zimnej komorze, ponieważ rozpuściłoby zanurzony cylinder. Stal nierdzewna topi się znacznie powyżej tej temperatury, a obciążenie cieplne przekraczałoby to, co toleruje stal H13 – żywotność matrycy spada już z około 60 000–200 000 uderzeń w aluminium w temperaturze około 700°C do 5,000–50 000 uderzeń w miedzi/mosiądzu w temperaturze około 970°C. W temperaturach charakterystycznych dla stali nierdzewnej ekonomika matrycy spada, dlatego proces ten jest traktowany jako proces obróbki metali nieżelaznych.
Przy jakiej wielkości produkcji formowanie wtryskowe metali staje się ekonomicznie korzystniejsze niż obróbka skrawaniem lub odlewanie precyzyjne?
Nie ma stałej wartości. MIM wiąże się ze stałymi kosztami oprzyrządowania i surowca, ale charakteryzuje się niskim kosztem jednostkowym w ujęciu ilościowym, co poprawia się wraz ze wzrostem wolumenu i złożonością geometrii. Obróbka skrawaniem charakteryzuje się niemal zerowym kosztem oprzyrządowania i wysokim kosztem jednostkowym; odlewanie precyzyjne plasuje się pomiędzy. Przełożenie zależy od rozmiaru części, stopu, tolerancji i liczby gniazd, a wycena konkretnej części jest jedyną wiarygodną wartością.
Jaki stopień skurczu należy uwzględnić w narzędziu MIM i kto musi go kompensować?
Część zielona jest o około 20% większa we wszystkich wymiarach niż część gotowa, a skurcz spiekowy wynosi zazwyczaj 18–22%, zależny od objętości spoiwa i izotropowy. Narzędziowiec kompensuje w gnieździe formy, tak aby spiekana część była zgodna z rysunkiem. Użytkownik dostarcza wymiary końcowe; narzędzie uwzględnia naddatek.
Czy części odlewane ciśnieniowo można poddać obróbce mechanicznej i zmontować w gotowy zespół?
Tak. Odlewy ciśnieniowe są rutynowo poddawane przycinaniu, obróbce skrawaniem otworów o krytycznym znaczeniu, gratowaniu, obróbce wibrościernej, impregnacji i powlekaniu, a wlewane piasty, żebra i elementy samozaciskowe mogą zmniejszyć liczbę części w zespole. Należy uwzględnić około 0.010–0.030 cala (0.25–0.75 mm) materiału obróbkowego i unikać głębokiego cięcia poza warstwę kokili, co odsłania podpowierzchniową porowatość i powoduje nieszczelności na powierzchniach uszczelniających.
Jakie są alternatywy, gdy ani MIM ani odlewanie ciśnieniowe nie pasują?
- Obróbka CNC z półfabrykatu — mała objętość, ścisłe tolerancje, brak budżetu na narzędzia.
- Odlewanie inwestycji — stal, stal nierdzewna i superstopy; mniejsze objętości; podcięcia lub geometria z zerowym pochyleniem.
- Odlewanie piaskowe — duże, proste, małoobjętościowe części.
- Prasowanie i spiekanie w metalurgii proszków — prostsze geometrie w objętości.
- Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych — gdy część nie musi być metalowa.
Co powinienem przygotować przed złożeniem wniosku o wycenę projektu MIM lub odlewu ciśnieniowego?
- Rysunki 3D CAD i 2D z tolerancjami i zaznaczonymi cechami krytycznymi
- Specyfikacja stopu i materiału
- Wolumeny roczne i szczytowe
- Wymagania dotyczące wykończenia powierzchni i obróbki końcowej
- Zakres montażu, jeżeli część jest dostarczana jako podzespół
- Wymagania dotyczące jakości i certyfikacji
- Docelowa oś czasu
Na koszt oprzyrządowania największy wpływ mają takie czynniki, jak złożoność geometrii i czynności boczne w przypadku odlewania ciśnieniowego, a także rozmiar części i liczba cech w przypadku MIM; w obu przypadkach porównywanie poszczególnych części odbywa się na podstawie wymagań dotyczących objętości i tolerancji.
