Вы разработали изделие из пластика и сделали прототип. Вашим пользователям нравится, как он выглядит, и результат испытаний вас устроил. Теперь вы хотите выпустить партию этого изделия, но не знаете, что делать дальше. Для начала нужно оптимизировать ваше изделие под литье. После, вам надо спроектировать и изготовить пресс-форму. Но из чего? В статье мы сравним пресс-формы из сплавов алюминия и стали.
Выбор материала для пресс-формы влияет на качество детали, время цикла, стоимость и время выхода на рынок.
Обычно мы предлагаем нашим заказчикам рассмотреть 2 подхода: “быстрая” пресс-форма из алюминия и “классическая” пресс-форма из стали. Что такое “быстрая” и “классическая” мы рассмотрим в отдельной статье, а сейчас предлагаем обсудить, на что влияет выбор между стальной и алюминиевой пресс-формой.
Коротко о выборе материала для пресс-формы:
- Начальные инвестиции в алюминиевую пресс-форму могут быть в 5 раз меньше чем в стальную
- Алюминиевая пресс-форма рассчитана на партии менее 50.000 штук, в то время как стальные пресс-формы могут производить до 1.000.000 деталей.
- Алюминиевые пресс-формы позволяют сократить время цикла на 30-40%.
- На алюминиевых пресс-формах вы не сможете отливать инженерные и армированные пластики.
- Алюминиевую пресс-форму можно доработать в случае обнаружения ошибок в изделии, стальную - сложно и дорого.
1. Стоимость и сроки изготовления пресс-форм
Первоначальные инвестиции в алюминиевую пресс-форму могут быть в 5 раз дешевле, чем затраты на стальную пресс-формы. Общая стоимость и рентабельность инвестиций в алюминиевые и стальные формы могут сильно различаться в зависимости от того, насколько производственных циклов рассчитана форма. Если нам нужно произвести миллион деталей, то выгоднее инвестировать в одну дорогостоящую стальную пресс-форму, чем в 5-10 алюминиевых пресс-форм с ресурсом 25.000-50.000 деталей.
Тип выбранной вами пресс-формы также может повлиять на стоимость внесения изменений в форму. Например, доработка алюминиевой оснастки стоит примерно в 10 раз меньше стоимости доработки стальной оснастки.
Время, необходимое для создания алюминиевой формы, в среднем составляет 15-25 рабочих дней. В отличие от этого, среднее время, необходимое для создания стальной формы, составляет 35-60 рабочих дней. Такой срок связан со сложностью изготовления, о котором мы поговорим дальше. На рисунке 1 представлена модель пресс-формы в разборе.
2. Количество циклов производства. Стойкость пресс-форм
Перед заказом пресс-формы нужно определиться с объемом выпуска продукции. Объем выпуска - ключевой фактор влияющий на выбор материала для пресс-формы.
Количество циклов производства
Стальная оснастка обеспечивает изготовление от 100.000 до 1.000.000 деталей до выхода из строя, в то время как алюминиевая пресс-форма - не более чем 50.000 штук. Стальная пресс-форма может произвести большее количество деталей, прежде чем пресс-форма потребует обслуживания из-за износа или полной замены формообразующих деталей. Поэтому, если вам нужны сотни тысяч или миллионы деталей в год, стальная оснастка будет лучшим вариантом.
Наиболее распространенным "аргументом" против использования алюминия для литьевых форм для пластмасс является мнение, что алюминий - мягкий сплав. По сравнению с закаленными сталями это действительно так, но есть ситуации, когда алюминиевая оснастка позволяет получать детали лучшего качества, чем стальные пресс-формы. Поскольку алюминий является "мягким" материалом, он имеет тенденцию "выравнивать" в процессе эксплуатации микроскопические молекулярные "холмы и долины" с течением времени.
Износостойкость
Когда пластик попадает в полости пресс-формы, он скользит по поверхности формы, вызывая сильное трение между поверхностью и материалом, что приводит к износу формы. Примерно сравнить износостойкость алюминия и стали между собой можно по твердости этих материалов. Чем выше твердость материала пресс-формы, тем меньше степень износа и выше износостойкость. Поверхность формообразующих стальных пресс-форм имеют твердость 30-60 HRC, алюминиевые пресс-формы в свою очередь имеют твердость 60-70 HRB. Если привести данные в одну систему измерений, то стальные пресс-формы примерно в 3 раза тверже алюминиевых.
Алюминий имеет коэффициент трения 1.05-1.35, в то время как сталь имеет коэффициент трения 0.5, что означает, что движущиеся части алюминиевой пресс-формы, при трении друг о друга, изнашиваются со временем гораздо сильнее чем стальные.
Усталостное разрушение
В процессе работы формы под длительным воздействием циклических нагрузок часто возникает усталостное разрушение. Усталость является результатом циклических или повторяющихся нагрузок и приводит к разрушению стали при нагрузках, значительно более низких, чем ее обычный предел текучести. Одну из самых сильных нагрузок литьевые формы испытывают, когда цикл состоит из полного нагружения стали при смыкании и впрыске с последующим полным снятием нагрузки при раскрытии формы и выталкивании изделия. Стальные пресс-формы обычно изготавливаются из высокопрочных сталей, таких как хром-никелевая сталь, которые могут иметь прочность на разрыв в диапазоне от 1200 до 2400 МПа. Алюминиевые пресс-формы, с другой стороны, обычно изготавливаются из алюминия или алюминиевых сплавов, которые имеет прочность на разрыв в диапазоне от 100 до 500 МПа.
3. Время цикла
Время охлаждения составляет большую часть общего времени цикла литья под давлением. Обладая гораздо большей скоростью теплоотдачи, алюминиевые пресс-формы могут нагреваться и охлаждаться в 5 раз быстрее чем стальные.Теплопроводность - это способность материала проводить тепло. Теплопроводность алюминия составляет около 237 Вт/(мК), тогда как теплопроводность стали составляет около 50 Вт/(м*К). Это означает, что алюминий в 4-5 раз лучше проводит тепло, чем сталь. Время цикла сокращается за счет более быстрого нагрева пресс-формы до рабочей температуры и охлаждения расплава пластика в ней.
Термоконтроль алюминиевых пресс-форм позволяет сократить время цикла до 40%. Таким образом, выбор алюминиевых форм может значительно сократить время цикла, что также является одним из важных факторов, влияющих на стоимость.
За счет лучшего теплоотвода можно повысить качество деталей. Так, детали, выдержанные в форме при более низкой температуре, имеют минимальное коробление и стабильность размеров.
4. Будет ли оснастка ограничивать выбор материала, качество поверхности деталей
Выбор алюминия в качестве материала пресс-формы не приведет к резкому снижению возможностей выбора пластика, но есть исключения.
Инженерные пластики
“Инженерными” пластиками (например, PEEK или полиамид) называют полимеры, которые имеют температуру плавления порядка 400-450 С и высокую твердость. Для изготовления деталей из этих материалов лучше использовать стальные пресс-формы.
При больших температурах алюминиевая пресс-форма будет подвержена быстрому износу, поскольку высокие температуры уменьшают прочность и жесткость материала.
Однако существуют различные способы укрепления алюминиевых пресс-форм, которые могут увеличить их прочность и устойчивость к высоким температурам. Например, алюминиевые пресс-формы могут быть покрыты специальными покрытиями, такими как керамика, которые могут увеличить их стойкость к высоким температурам.
Армированные пластики
Армированные пластики - пластики, армированные стекловолокном, углеродом и другими добавками. Алюминий из-за своей “мягкости”, по сравнению со сталью, подвержен большему износу и риску царапин или других повреждений от определенных добавок. Армирующие волокна действуют на поверхность пресс-формы как тысячи микро ножей, которые раз за разом проводят по поверхности, оставляя микро царапины. Это повлияет на качество отливки и текстуру конечной детали.
Качество деталей
Как уже оговаривалось, алюминий обладает отличной теплопроводностью по сравнению со сталью. Это позволяет алюминиевой пресс-форме в 5 раз быстрее достигать равномерного нагрева и охлаждения, тем самым сокращает количество дефектных и бракованных деталей. Неравномерный нагрев и охлаждение являются одними из основных факторов возникновения таких дефектов, как раковины, пустоты и следы прожогов. При правильном применении алюминиевые пресс-формы могут обеспечить преимущество по стоимости за счет снижения процента брака деталей.
Алюминиевые пресс-формы демонстрируют лучший результат при формовании длинных и крупных деталей, стальные пресс-формы имеют преимущества при формовании тонких стенок и сложных элементов. В отличие от алюминия, стальная оснастка оказывается более эффективной для литья под давлением деталей, требующих очень тонких стенок величиной 1-2 мм.
Тонкие элементы и области формуемого изделия лучше выдерживают давление в процессе формовки при использовании стали. В одном из наших проектов нам пришлось изготовить стальную пресс-форму (рисунок 3) именно из-за толщины стенки изделия. Толщина стенки должна была быть равной 1 мм.
5. Ремонт и доработка пресс-формы
Деформированные или поврежденные стальные пресс-формы сложно и дорого ремонтировать из-за твердости материала. Изношенные стальные пресс-формы чаще подлежат замене, нежели ремонту. Ремонт изношенных стальных пресс-форм может включать в себя несколько различных методов, в зависимости от степени износа и необходимости ремонта. Основные:
- Легирование - нанесение слоя другого металла на поверхность, чтобы восстановить исходный размер и форму.
- Сверление и фрезерование - удаление изношенного металла и восстановление размера и формы.
Также и с доработкой. В случае ошибки при проектировании формы или изделия, стальная пресс-форма потребует доработок. Из-за твердости стали, механическая обработка стальной пресс-формы происходит на дорогостоящих 3-х, 5-ти координатных фрезерных и токарных ЧПУ станках и на электроэрозионном оборудовании, что повышает стоимость доработки.
Алюминиевые формы гораздо более восприимчивы к ремонту и, будучи более “мягкими”, могут быть модифицированы. В случае выявления проблем с геометрией отлитого изделия, алюминиевую пресс-форму можно доработать на фрезерном или токарном станке.
Заключение
Алюминиевые пресс-формы экономят время и стоят дешевле, но обладают ограниченным ресурсом по сравнению со стальными пресс-формами. Если вам нужно производить детали по запросу в течение всего нескольких дней в году или вы хотите держать под контролем инвестиции и технические риски до тех пор, пока конструкция детали не будет действительно проверена, то использование алюминиевой формы может быть хорошим выбором.