Over-engineering verminderen: van metalen onderdelen naar geavanceerde kunststoffen

Ingenieurs vertrouwen vaak op metalen om robuuste producten te maken omdat ze sterk zijn, doorgaans corrosiebestendig, thermisch stabiel en redelijk goed begrepen binnen de ingenieursgemeenschap. Gegeven de vooruitgang in hoogontwikkelde thermoplasten en thermoharders, productietechnieken en digitale ontwerptools, zijn kunststoffen meer capabel dan u misschien denkt. Het is mogelijk dat u uw onderdeel over-engineered door het van metaal te maken en de veel gunstige eigenschappen van kunststoffen mist.

Te overwegen aspecten

Om te beslissen of uw onderdeel een goede kandidaat is voor conversie van metaal, is het belangrijk de prestatie-eisen van uw product te begrijpen. Wat zijn de bedrijfsomstandigheden? Wat zijn de belastingsscenario's? Hoeveel klijp/vermoeiding is acceptabel? Wat zijn de specificaties rond chemische en UV-weerstand? Uw onderdeel kan non-onderhandelbare eisen hebben die ze ongeschikt maken voor conversie, maar de brede reeks materiaaleigenschappen en kunststofvarianten op de markt maken het vinden van een geschikte alternatief makkelijker dan ooit.

Sterk genoeg

Hoewel kunststoffen niet de sterkte van metaal hebben, zijn bepaalde kunststoffen sterke genoeg voor veel toepassingen. Bijvoorbeeld Cyanate Ester, een proprietair polymeer gemaakt voor Carbons® Digital Light Synthesis (DLS) technologie, heeft hoge warmteafbuiging, sterkte en stijfheid. In het bijzonder is de stijfheid vergelijkbaar met glasgevulde nylon en is gebruikt om sommige legacy metaalcomponenten te vervangen waar kosten of gewicht belangrijkere overwegingen zijn. Een doordacht herontwerp met gebruik van complexe structurele kenmerken zoals ribben en gussets kan u in staat stellen uw onderdeel van metaal naar kunststof te converteren en nog steeds aan uw functionele eisen te voldoen.

In sommige gevallen kunnen kunststofonderdelen zelfs beter presteren dan metalen onderdelen. Metalen onderdelen met complexe geometrieën vereisen soms secundaire processen als lassen van losse componenten om de finale geometrie te bereiken. Lassen introduceert potentiële zwakke punten en corrosie, terwijl een kunststofonderdeel als een enkel stuk geproduceerd kan worden zonder deze gebreken, zoals in de afbeelding hieronder te zien is.

Prestatiewinst

Tegenwoordig bieden kunststoffen ook een breed scala aan functionele voordelen. Tandwielen zijn bijvoorbeeld goede kandidaten voor conversie, omdat de juiste kunststof geen externe smering nodig heeft, wat metaal vaak wel vereist. Bovendien kan in een sterk corrosieve omgeving het kunststofonderdeel een langere levensduur hebben en uiteindelijk zijn metaal tegenhanger overtreffen.

Andere functionele voordelen van kunststof zijn verbeterde afdichting, trillingendemping, geluidsdemping, en elektrische en thermische weerstand. Kunststofproductiemethoden bereiken ook hogere toleranties dan bladmetaal of gegoten componenten. Ten slotte geven kunststofproductiemethoden u meer controle over de esthetiek van uw product, waardoor u kleuren kunt aanpassen, custom logo's toevoegen of texturen aanbrengen.

Geld en tijd besparen

Er zijn veel kostenbesparingen te ontdekken door herontwerp van metalen onderdelen. Een voor de hand liggend voorbeeld is de luchtvaart, waar massa-reductie van enkele ons betekenisvolle dollars oplevert. Andere gebieden waar u besparingen kunt vinden zijn:

• Materiaal- en tijdsbesparing door het elimineren van de noodzaak voor extra coating of schilderen vereist voor veel metalen onderdelen
• Kostenbesparing door verhoogde materiaalefficiëntie van near net-shape processen
• Tijd- en arbeidskostenreductie door assemblageconsolidatie mogelijk gemaakt met gieten en 3D-printen

Hier is een voorbeeld van echte kostenbesparing uit ons bedrijf. Luchtkanalen zijn grote kandidaten voor onderdeelconsolidatie omdat geometrie en luchtstroom geoptimaliseerd kunnen worden met additieve productie. Fast Radius produceert de koelkanaal in de HP 500/300 printerserie met HP MJF. Door acht onderdelen (voornamelijk metaal) in één te consolideren, kon HP hun toeleveringsketen vereenvoudigen en de onderdeelkosten met 30 procent verlagen.

Gieten of printen?

Veel factoren spelen een rol bij de keuze van welk kunststofproductieproces te gebruiken. De volgende factoren bieden richtlijnen voor wanneer additieve productie te overwegen boven traditionele giettechnieken.

• Leidtijd – Terwijl het opzetten van gereedschappen voor gieten maanden kan duren, verlaagt additieve productie de leidtijd tot dagen of weken, wat uw productlancering kan versnellen.
• Break-even punt – Veel gietprocessen vereisen hoge volumes om financieel zinvol te zijn door hoge gereedschaps- en opstartkosten. Bij lagere volumes biedt additieve productie significante kostenbesparingen.
• Ontwerpvrijheid – Additieve productie maakt eerder onproduceerbare ontwerpen mogelijk, wat veel waarde ontgrendelt. Het toevoegen van complexe structurele kenmerken zoals lattices, organische geometrieën en customisatie over onderdelen heen.

Maak het beter

Omdat iets werkt, betekent niet dat u niet moet proberen het beter te maken. Het converteren van metalen onderdelen of assemblages naar kunststof kan een geweldige plek zijn om efficiëntie en kostenbesparing in uw BOM te vinden. Bij Fast Radius hebben we talloze bedrijven geholpen productontwerp en prestaties te verbeteren door over te stappen van metaal naar kunststof. Bijvoorbeeld, we converteerden de traditionele warmtewisselaar naar Cyanate Ester en bereikten een 2x verbetering in warmteoverdracht. We hielpen ook Bastian Solutions een lichter arm voor zijn materialen-handlingsrobot te maken door een enkel onderdeel additief te produceren met PA 12 in plaats van een assemblage voornamelijk bestaande uit metaal.

De volgende keer dat u een metaalonderdeel ontwerpt, daag wij u uit om te stoppen en uzelf te vragen: kan dit onderdeel beter gemaakt worden met kunststof?

Wilt u stoppen met over-engineeren van uw metalen onderdelen? Neem contact op met de experts van Fast Radius, die u kunnen helpen onderdelen te identificeren, herontwerpen en efficiënter te produceren.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?