Zawsze istnieje więcej niż jeden sposób realizacji zamówienia na komponenty, a bogata lista dostępnych opcji może być dezorientująca. Co więcej, Twój wybór będzie czynnikiem decydującym o budżecie, harmonogramie i wydajności produktu finalnego.
W tym artykule przedstawimy szczegółowe porównanie dwóch najpopularniejszych metod produkcji: obróbki CNC i odlewania ciśnieniowego. Przyjrzyjmy się korzyściom, jakie oferują i jak je wybrać.
Czym jest obróbka CNC?
Jak to działa
Obróbka CNC (Computer Numerical Control) to proces ubytkowy: narzędzie skrawające usuwa materiał z litego wlewka lub płyty na podstawie precyzyjnych instrukcji cyfrowych. Maszyny wieloosiowe pozycjonują narzędzia i przedmioty obrabiane, aby wycinać złożone kształty, kieszenie i otwory. Dzięki wykorzystaniu modelu cyfrowego, konfiguracja jest stosunkowo szybka, często ograniczając się do ustalenia mocowania i zaprogramowania ścieżki narzędzia, co czyni ją idealną do iteracyjnych cykli projektowania i produkcji części niestandardowych.
W czym się wyróżnia
- Wysoka precyzja:Dzięki zaawansowanej mocy obliczeniowej nowoczesnych systemów CNC, frezarki i tokarki mogą zachować ścisłe tolerancje dla krytycznych cech, przy doskonałej dokładności pozycjonowania i spójności.
- Elastyczność projektowania:Przy zastosowaniu odpowiednich narzędzi i strategii obróbka CNC pozwala na tworzenie złożonych elementów wewnętrznych, takich jak głębokie kieszenie i ścianki o zmiennej grubości.
- Łatwe zmiany w projekcie: Dzięki obróbce CNC eliminuje się obawy o marnotrawstwo form i dodatkowe koszty, ponieważ dziś można wyciąć jeden element geometryczny, a jutro zaprojektować nową, udoskonaloną wersję, bez konieczności stosowania nowych narzędzi.
- Szeroki zakres materiałuTemperatura topnienia nie jest już problemem. Od miękkich tworzyw sztucznych do aluminium, stali i stopów miedzi, CNC obsługuje szeroką gamę materiałów.
Ograniczenia
- Wolniejszy do produkcji masowej:Każda część pochłania czas pracy maszyny. Wraz ze wzrostem wolumenów, czas cyklu ma decydujący wpływ na koszty w porównaniu z odlewaniem.
- Wyższy koszt jednostkowy w skali:Bez możliwości wykorzystania oprzyrządowania ceny jednostkowe za część pozostają wyższe w przypadku dużych zamówień w porównaniu z odpowiednikami odlewanymi ciśnieniowo.
- Nadwyżka subtraktywna: Części są wycinane z litych bloków, co powoduje powstawanie nadmiernej ilości wiórów i prowadzi do większej ilości odpadów, szczególnie w przypadku drogich metali, takich jak tytan, który można poddać recyklingowi, ale wiąże się to z dodatkową energią, kosztami i potencjalną utratą wartości materiału.
Czym jest odlewanie ciśnieniowe?
Jak to działa
Odlewanie ciśnieniowe to proces produkcyjny stosowany do produkcji litych części metalowych, który w przeciwieństwie do tradycyjnego odlewania piaskowego charakteryzuje się wysoką precyzją obróbki i możliwością ponownego wykorzystania. Proces odlewania ciśnieniowego polega na wtłaczaniu ciekłego metalu pod wysokim ciśnieniem do stalowej formy wielokrotnego użytku, zwanej matrycą. Proces ten rozpoczyna się od stworzenia samej matrycy, której wnęka przyjmuje kształty pożądanych odlewów. Po ukończeniu matrycy, ciekły metal – zazwyczaj stopy metali nieżelaznych, takie jak aluminium, cynk, czyli magnez, jest wtryskiwany do formy, szybko wypełniając wnękę formy i szybko krzepnąc. Po ostygnięciu metalu matryca otwiera się, a nowo uformowany odlew jest wyrzucany.
W czym się wyróżnia
- Wysoka przepustowość:Czasy cyklu mierzone w sekundach lub minutach sprawiają, że odlewanie ciśnieniowe jest podstawą produkcji masowej.
- Złożona geometria:Łatwo formuje się cienkie ścianki, żebra, wypukłości i integralne elementy.
- Atrakcyjne wykończenie powierzchni:Powierzchnie bezpośrednio odlane są często wystarczająco gładkie, aby ograniczyć konieczność późniejszej obróbki; powłoki i farby dobrze przylegają.
- Efektywne wykorzystanie materiałów:Prowadnice i bramy nadają się do recyklingu, co oznacza, że powstaje mniej odpadów niż w przypadku obróbki materiału stałego.
Ograniczenia
- Koszt początkowy narzędzi:Projektowanie i budowa matryc stalowych wymaga znacznego kapitału i czasu realizacji.
- Ograniczenia materiałowe:Stopy żelaza i metale o wysokiej temperaturze topnienia nie są typowe.
- Twarda zmiana inżynieryjnaZmiany konstrukcyjne po wyprodukowaniu narzędzi mogą być kosztowne; duże zmiany mogą wymagać przeróbek matryc lub zastosowania nowych wkładek.
Dokonywanie wyboru: Koszt i strategia hybrydowa
Czynniki kosztowe odlewania ciśnieniowego i obróbki CNC
Decyzja między obróbką CNC a odlewaniem ciśnieniowym opiera się zasadniczo na kompromisie między początkową inwestycją a długoterminowym kosztem jednostkowym. Obróbka CNC pozwala uniknąć znacznych początkowych kosztów oprzyrządowania, ale wiąże się z wyższym kosztem jednostkowym ze względu na wolniejszy i bardziej pracochłonny proces. Odlewanie ciśnieniowe natomiast wymaga znacznej początkowej inwestycji w hartowane formy stalowe (oprzyrządowanie), aby osiągnąć bardzo niski koszt krańcowy jednostkowy w produkcji wielkoseryjnej.
Taka dynamika ekonomiczna sprawia, że wybór jest w zasadzie oczywisty. W przypadku prototypów, produkcji małych serii lub w dowolnym przypadku, gdy projekt jest nadal udoskonalany, lepszym wyborem jest obróbka CNC. Jego elastyczność sprawia, że idealnie nadaje się do szybkich iteracji i testowania, a ponadto oferuje szerszy wybór materiałów inżynieryjnych.
Gdy projekt zostanie sfinalizowany, a roczna wielkość produkcji będzie wystarczająco duża, aby uzasadnić początkowy koszt oprzyrządowania, odlewanie ciśnieniowe staje się najbardziej ekonomiczną opcją. Dla przykładu, jeśli część CNC kosztuje $50, a odlewanie ciśnieniowe wymaga inwestycji w oprzyrządowanie $80 000 przy koszcie części $10, próg rentowności wynosi około 2000 jednostek. Należy jednak zauważyć, że jest to uproszczony przykład, który nie uwzględnia wielu czynników, a rzeczywiste analizy kosztów są zazwyczaj znacznie bardziej skomplikowane.
Rozważanie strategii hybrydowej
Do tej pory traktowaliśmy odlewanie i obróbkę skrawaniem jako odrębne techniki. Jednak obie te techniki mogą ze sobą współdziałać.
Obróbka CNC doskonale sprawdza się w produkcji mostów, dostarczając części do testów rynkowych lub wstępnej sprzedaży, podczas gdy produkowane są stałe formy odlewnicze. Dobrą praktyką jest walidacja projektu z częściami CNC przed poniesieniem kosztów oprzyrządowania odlewniczego. Ponadto powszechną praktyką jest poddawanie części odlewane ciśnieniowo do selektywnej obróbki końcowej CNC i procesów wykończeniowych w celu uzyskania krytycznych tolerancji w takich elementach jak powierzchnie uszczelniające, otwory łożyskowe czy otwory gwintowane. To podejście wykorzystuje zalety odlewania ciśnieniowego w przypadku głównej części, a jednocześnie wykorzystuje obróbkę CNC, aby osiągnąć precyzję tam, gdzie jest ona potrzebna.
Dokonywanie wyboru: geometria, materiały i kontrola jakości
Rozważania geometryczne
Każdy proces oferuje odrębne korzyści w zakresie kształtowania części. Odlewanie ciśnieniowe doskonale sprawdza się w produkcji cienkich, jednolitych ścianek wzmocnionych żebrami, co jest geometrią trudną i czasochłonną w obróbce. Można również formować pewne podcięcia za pomocą bocznych ruchów formy, choć wiąże się to ze wzrostem złożoności i kosztów.
Z kolei obróbka CNC z łatwością radzi sobie z różnymi grubościami ścianek i głębokimi kieszeniami, ale jest ograniczona zasięgiem i średnicą narzędzia skrawającego, co utrudnia obróbkę bardzo cienkich ścianek lub małych promieni wewnętrznych. Obróbka CNC umożliwia dostęp do podcięć poprzez ruchy wieloosiowe i pozwala na bezpośrednie wykonywanie wysokiej jakości, precyzyjnych gwintów.
Wybór materiałów i wydajność
Obróbka CNC oferuje niezrównaną elastyczność materiałową, umożliwiając obróbkę szerokiej gamy metali, od różnorodnych tworzyw sztucznych i aluminium po stale o wysokiej wytrzymałości, stale nierdzewne i stopy odporne na temperaturę, takie jak tytan. To sprawia, że jest ona niezbędna w zastosowaniach wymagających specyficznych właściwości mechanicznych, odporności na korozję lub biokompatybilności.
Natomiast odlewnictwo ciśnieniowe specjalizuje się w odlewaniu metali nieżelaznych, przede wszystkim aluminium, cynku i magnezWybierane są ze względu na doskonałą lejność, płynność i dobry stosunek wytrzymałości do masy, dzięki czemu idealnie nadają się do lekkich elementów o dużej objętości.
Kontrola jakości
Pod względem jakości, oba procesy wyróżniają się w różnych obszarach, ale oba są generalnie precyzyjne i zaawansowane dzięki nowoczesnej nauce. Obróbka CNC doskonale sprawdza się w uzyskiwaniu ścisłych tolerancji geometrycznych i złożonych struktur bezpośrednio z pliku cyfrowego, co czyni ją punktem odniesienia w dziedzinie precyzyjnych komponentów. Odlewanie ciśnieniowe, po zoptymalizowaniu parametrów procesu i dopracowaniu formy, zapewnia wyjątkową powtarzalność między poszczególnymi częściami przy bardzo dużych wolumenach produkcji. Chociaż tolerancje odlewu są zazwyczaj szersze niż w przypadku CNC, wytwarza ono wysoce spójne formy o doskonałej estetyce powierzchni.
Dokonywanie wyboru: Zrównoważony rozwój
W kalkulacji kosztów często pomija się kwestię recyklingu i zrównoważonego rozwoju metod przetwarzania. Z perspektywy zrównoważonego rozwoju, oba procesy charakteryzują się strumieniami materiałów nadających się do recyklingu, ale różnią się pod względem ilości wytwarzanych odpadów. CNC to proces ubytkowy, w którym powstają wióry (opiłki) jako odpad. Chociaż wióry te nadają się w pełni do recyklingu, proces ten wiąże się z nieodłączną stratą materiału, szczególnie w przypadku metali o wyższych temperaturach topnienia.
Odlewanie ciśnieniowe jest bardziej wydajne pod względem materiałowym w swojej podstawowej fazie, ponieważ kanały wlewowe i wlewy (nadmiar materiału z kanałów wtryskowych) można przetopić i ponownie wykorzystać bezpośrednio w odlewni, co przekłada się na bardzo wysoki wskaźnik wykorzystania materiału. Oba procesy w znacznym stopniu korzystają z zamkniętych systemów recyklingu, co przyczynia się do zmniejszenia ogólnego śladu środowiskowego.
Wniosek
Wracając do rozważanego zagadnienia, doszedłbyś do wniosku, że nie ma uniwersalnego zwycięzcy, gdyż odlewanie ciśnieniowe i obróbka CNC mają swoje zalety w różnych dziedzinach produkcji. Obróbka CNC jest wyborem zapewniającym zwinność, precyzję i produkcję niskoseryjną, Dodlewanie ie doskonale nadaje się do ekonomicznej produkcji wielkoseryjnej skomplikowanych geometrii.
Pamiętaj, aby decyzję oprzeć na wielkości produkcji, stabilności projektu i wymaganiach funkcjonalnych. Starannie rozważając te czynniki, możesz z pewnością wybrać najbardziej efektywną i ekonomiczną ścieżkę produkcji dla swojego zastosowania.
Często zadawane pytania
Który proces jest bardziej odpowiedni w przypadku zamówienia średniej wielkości partii części?
Chociaż wielokrotnie wspominaliśmy w artykule o „niskiej” i „wysokiej” objętości, nigdy nie są to liczby wybrane z ustalonego zakresu. Aby przeanalizować próg rentowności i znaleźć najlepsze rozwiązanie dla swoich potrzeb, priorytetem jest konstrukcja i złożoność części.
Prostsza część może być tańsza w obróbce CNC, podczas gdy w przypadku bardziej złożonej części koszt oprzyrządowania do odlewania ciśnieniowego będzie wcześniej uzasadniony. Jeśli masz zamówienie na części i nie masz pewności, spróbuj… nawiązanie kontaktu z ekspertami branżowymi, gdyż zapewni Ci to większą wiedzę fachową.
Czy oprócz recyklingu metali istnieją inne czynniki zrównoważonego rozwoju, które należy wziąć pod uwagę przy tych procesach?
Tak, należy również uwzględnić zużycie energii. Obróbka CNC, szczególnie w przypadku metali twardych, może być bardzo energochłonna w przeliczeniu na jedną część, ponieważ obrabiarka i układy chłodzenia pracują przez cały cykl. Odlewnictwo ciśnieniowe charakteryzuje się wysokim początkowym kosztem energii potrzebnym do stworzenia formy i stopienia metalu, ale bardzo krótkie cykle produkcyjne mogą prowadzić do niższych kosztów energii w przeliczeniu na jedną część przy dużych wolumenach. Wybór „bardziej ekologicznej” opcji w dużej mierze zależy od wielkości produkcji i specyficznego miksu energetycznego producenta.