De Juiste Metaal Kezen voor CNC-bewerking: Sterkte, Duurzaamheid & Kosten

Bij het ontwerpen van componenten voor CNC-bewerking kiest u vaak een metaalmateriaal. Hierbij moet u rekening houden met sterkteeisen, chemische bestendigheid, thermische stabiliteit, kosten, en dergelijke factoren. Met zoveel materialen kan de keuze overweldigend zijn. Definieer eerst de belangrijkste kenmerken van uw onderdeel. Hoe werkt het? Waar komt het? Hoe interacteert het met andere componenten?

Na begrip van de bovenstaande belangrijke kenmerken, combineer de zes factoren uit dit artikel die u moet overwegen voordat u harde of zachte metalen bewerkt. Dit helpt u bij het kiezen van het juiste metaalmateriaal.

Mechanische Eigenschappen van Metalen

Begin met mechanische eigenschappen, gemeten aan de prestaties van het materiaal bij verschillende krachten.

De belangrijkste mechanische eigenschappen:

Hardheid:

Hardere materialen zijn beter bestand tegen krassen en knikken dan zachte. Harde materialen geschikt voor slijtonderdelen zoals busjes. Sommige materialen kunnen later bewerkt en gehard worden. Let op: verharding verandert materiaaleigenschappen. Bijvoorbeeld: verharding kan het materiaal bros maken. Het oppervlak kan ook gehard worden met coating.

De onderstaande afbeelding vergelijkt eenvoudig de hardheid van gangbare metalen.

Bron: https://www.metalcraftmachining.com/services/cnc-metal-materials.html

Dichtheid:

Aluminium dichtheid is veel lager dan zachte staal, ~1/3 van het gewicht. Afhankelijk van de graad kan aluminium per gewicht sterker zijn dan staal (sterkte-gewicht ratio).

Treksterkte:

Maximale spanning die een materiaal kan weerstaan voor breuk. Bij ontwerp van beugel die twee componenten verbindt: overweeg interactie. Treksterkte vertegenwoordigt weerstand tegen breuk.

Demping (harde metalen hebben minder dempingsvermogen):

Brosheid:

Hoog bros materiaal rekkt of vervormt niet voor breuk. Als onderdelen continu gebogen moeten worden, zijn bros materialen geen goede keuze.

Als bovenstaande eigenschappen belangrijk zijn, raadpleeg dan daadwerkelijke eigenschapswaarden per materiaal.

Slijtage- en Vermoeikarakteristieken van Metalen

Algemeen: voor prototype pasvorm en functie, hoeft u u zich geen zorgen te maken om slijtage. Als sterkte of omgevingskenmerken (extreme temperaturen) kritiek zijn, is materiaalkeuze cruciaal. Belangrijkste vermoeikarakteristieken:

Vermoeisterkte en Zwaarte:

De spanning die een materiaal kan weerstaan binnen een bepaald aantal cycli. Uitgebreid onderzocht voor juiste materiaalkeuze. Metaalvermoeiding is geleidelijke, lokale, permanente, cumulatieve schade onder cyclische spanning/strain, leidend tot kraken of plotselinge breuk na cycli. ~90% van metaalfouten treedt snel en zonder waarschuwing op. Gemiddelde verhoudingen meten vermoeisterkte. Als onderdelen meerdere spanningscycli ondergaan, evalueer vermoeisterkte.

Werktemperatuur van Metaalonderdelen

De omgevingstemperatuur waar het onderdeel werkt is cruciaal. Smeltpunt van CNC-materiaal moet hoger zijn dan werktemperatuur. Anders verandert de structuur. Ook moet het materiaal extreme temperatuurschwankingen weerstaan. Sommige materialen kunnen dit, anderen veranderen na gebruikstructuur.

Er zijn veel bronnen voor omgevingscyclustests. Meestal: materialen in gecontroleerde omgeving, getest op hoge/lage temperatuur, vochtigheid, thermische cycli, thermische schok.

• Hoge temperatuur bestendige metalen: titaan en roestvrij staal.
• Extreme kou bestendige metalen met duktiliteit bij lage temperatuur: koper en aluminium.
• Kruipbestendigheid: weerstand tegen "kruip" (langzame vervorming onder hoge spanning over lange tijd). Kan standaard spanningsgrens overschrijden. Nikkel, titaan en roestvrij staal hebben hoogste kruipbestendigheid.

Corrosie (Oxidatie) Bestendigheid van Metalen

Metaalcorrosie is degradatie/oxidatie door chemische reactie met omgeving. Alle metalen corroderen. Zuiver ijzer corrodeert snel, roestvrij staal (ijzer + legeringen) langzaam. Bij corrosiebezorgdheid: roestvrij staal is uitstekende keuze.

Alternatief: geanodiseerd aluminium. Vermindert corrosie, zeer duurzame afwerking. Vernikkeld zachte staal kan kosten-effectiever zijn dan roestvrij staal.

Thermische Eigenschappen van Metalen

Metalen kunnen uitzetten, smelten, elektriciteit geleiden. Meest voorkomende thermische eigenschap: elektrische geleiding (warmteleiding). Hoge warmteleiding = betere warmteoverdracht. Voor koeltoepassingen: kies hoge warmteleiding.

Thermische eigenschappen van gangbare metalen in onderstaande tabel.

Bron: https://www.protolabs.com/resources/blog/hard-metals-vs-soft-metals-for-cnc-machining/

Bewerkbaarheid (Fabricageprestaties)

Bewerkbaarheid = gemak waarmee materiaal door snijden gewijzigd kan worden. Aluminium is erg makkelijk bewerkbaar en verslijt gereedschappen minder snel. Daarom is aluminiumbewerking "goedkoper" dan materialen met lagere bewerkbaarheid.

Metalen hebben verschillende eigenschappen die eindproductprestaties bepalen. Deze moeten gebalanceerd worden met grondstof- en bewerkingskosten. Bijvoorbeeld: roestvrij staal heeft verschillende graden met grote kosten- en eigenschapsverschillen. Sommige roestvrij stalen zijn moeilijker te snijden, wat CNC-kosten verhoogt.