Odabir metala za izradu kalupa jedna je od ključnih početnih odluka koja će utjecati na proizvodnju rada, kvalitetu dijelova, vijek trajanja alata i troškove. Odabir najboljeg ovisi o znanju o inherentnim svojstvima različitih materijala te usklađivanju s zahtjevima primjene. Usporedimo sada glavne konkurente.
1. Alatni čelici: Radne konjiće
Svojstva: Poznati po ekstremnoj tvrdoći, izraženim fenomenima otpornosti na habanje i zadovoljavajućoj čvrstoći na tlak. Takva svojstva dodatno se poboljšavaju toplinskom obradom. Održavaju oblik pod visokim tlakom i temperaturom.
Prednosti: Neosporiva dugoročna izdržljivost u radu velikih serija, pogodni za abrazivne komponente, prikladni za složene geometrije dugih serija i visoku preciznost. Mnogi sortimenti imaju dobru obradivost prije kaljenja.
Slabosti: Viša cijena u odnosu na neželjezne materijale. Toplinska vodljivost je umjerena do niske, što može zahtijevati napredniji dizajn hlađenja. Smanjena žilavost pri vrlo visokoj tvrdoći.
Najpogodnije za: Umetke za obradu ulijevanjem s većom proizvodnjom, kalupljenje pod tlakom (osobito jezgre i šupljine), izradu mjehurićastih proizvoda, kompresijsko oblikovanje te zahtjevne alate za utiskivanje i kovanje.
2. Legure aluminija: Kraljevi brzine i vodljivosti
Svojstva: Značajno lakše u usporedbi sa čelikom. Imaju visoku toplinsku vodljivost (obično 4-5 puta veću od alatnog čelika) i laku obradivost (uključujući i kaljeni stanje). Alatni čelici imaju nižu otpornost na habanje i tvrdoću.
Prednosti: Drastično skraćuje rokove i smanjuje troškove jer su obrada i poliranje brži. Bolja disipacija topline rezultira kraćim ciklusnim vremenom i potencijalno boljom kvalitetom dijela (manje izobličenja, upadnina). Lakše je izmjena i popravak.
Slabosti: Manje su tvrde i stoga se mogu habati, trošiti i lako oštetiti – nisu prikladne za vrlo abrazivne materijale ili ekstremne volumene. Smanjuje se pritisak stezanja te veličina/složenost dijela u slučajevima niže čvrstoće.
Najpogodnije za: Prototipiranje, proizvodnju malih i srednjih serija, komponente koje zahtijevaju izuzetno dobru obradu površine, umetke gdje je hlađenje dijelova složeno, termooblikovanje, RIM (reakcijsko ulijevanje pod tlakom), primjene kod kojih je potrebno brzo izrađivanje alata.
3. Bakreni slitini (bez berilija): Stručnjaci za toplinsku vodljivost
Svojstva: Imaju najbolju toplinsku vodljivost od svih uobičajenih kovina za kalupe (često 2-3 puta veću od aluminija i 8-10 puta veću od alatnog čelika). Dobra otpornost na koroziju i zadovoljavajuća tvrdoća (mogu se termički obrađivati).
Prednosti: Nenadmašene sposobnosti u odvođenju topline, vrlo korisne kada se pokušavaju kontrolirati problematična područja pregrijavanja u kalupima. Omogućuje znatno kraće vremena izrade i veću točnost dijelova. Dobar potencijalni kvaliteta površine. Dobro otporan na gribanje.
Mane: Tvrdi i habljivi od alatnih čelika smanjuju upotrebljivost na područjima s visokim trošenjem. Znatan skuplji od aluminija. Aluminij bi mogao biti lakši za obradu. Ima visoku gustoću.
Najbolje za: U osnovi kao umetci (jezgre, detalji šupljine, potiskivači) u područjima čeličnih kalupa s velikim zahtjevima za odvođenje topline, posebno u procesu ubrizgavanja i u postupku pod tlakom lijevanja. Ključan je za rukovanje složenim geometrijama koje su teško hladiti ili materijalima koji ne podnose visoke temperature.
4. Bakreni leguri (alternativi bez berilija):
Svojstva: Konstruirani tako da pruže značajnu toplinsku vodljivost (dosežući onu konvencionalnog bakra s berilijem) bez zdravstvenih rizika vezanih uz berilij. Takvi legirajući metali su bakar-nikal-silicij, bakar-krom-cirkonij legure.
Prednosti: Izvrsna toplinska vodljivost uz povećanu tvrdoću, čvrstoću i otpornost na habanje u usporedbi s tradicionalnim slitinama s visokim udjelom bakra. Sigurnija obrada i rukovanje.
Slabosti: općenito nešto niža toplinska vodljivost, koja je smanjena u odnosu na čiste slitine s visokim udjelom bakra ili bakar-berilij. Može biti skup. Dostupnost različitih klasa može varirati.
Najbolja upotreba: Ugradnja termalnih uložaka tamo gdje je potrebna sigurnost bez berilija, a istovremeno je potreban ravnoteža između vodljivosti, čvrstoće i otpornosti na habanje.
5. Premium alati za čelik (metalurgija praha - PM):
Svojstva: Proizvedeni su putem naprednije metode metalurgije praha koja omogućuje finiju i jednolikiju mikrostrukturu. To omogućuje veću tvrdoću te znatno poboljšanu žilavost i otpornost na habanje u odnosu na konvencionalno obrađeni alatni čelik.
Prednosti: Izvrsna ravnoteža između tvrdoće, žilavosti i otpornosti na habanje. Visoka obradivost do visokog sjaja te otpornost na drobljenje ili pucanje, posebno kod detaljnog rada ili u prisutnosti velikih naprezanja. Poboljšana izotropnost (jednaka u svim smjerovima).
Nedostaci: Cijena materijala je najviša u usporedbi s opcijama. Kaljeni PM čelik može biti sporiji za obradu i može zahtijevati specijaliziranija alata.
Najbolje za: Visoko precizne, teško obradive kalupe za proizvodnju abrazivnih proizvoda, iznimno duga serija proizvodnje, kalupe s malim detaljima sklonim habanju ili drobljenju, ozbiljne jezgre i šupljine u postupku pod tlakom.
Ključni faktori izbora:
Obujam proizvodnje: Količina volumena je velika i zahtijeva alatni čelik ili PM čelik da izdrži. Mali volumen pogoduje aluminiju.
Materijal dijela: Napunjeno staklom, minerali (abrazivni) imaju velike zahtjeve za otpornošću na habanje (alatni čelik/PM). Visoka vodljivost (bakreni/aluminijski umetci) prednost je za toplinski osjetljive materijale.
Geometrija i složenost dijela: Umetci s visokom vodljivosti složeni su za hlađenje. Potrebna je visoka obradivost i tvrdoća (alatni čelik/PM) za sitne detalje.
Zahtjevi za vremenom ciklusa: Maksimizacija ciklusa/sati vodi korištenju materijala s visokom vodljivošću (bakreni/aluminijski umetci).
Budžet: Aluminij će imati najniže početne troškove, dok će PM čelik biti najskuplji. Odlučite o ukupnim troškovima vlasništva (trošak materijala, obrada, vijek trajanja, broj ciklusa).
Zaključak:
Ako bi postojao jedan idealni metal za kalupe, to definitivno nije on. Alatni čelici pružaju nevjerojatnu izdržljivost na dugi rok. Aluminij ima prednost kada je u pitanju brzina (obrada i hlađenje) prototipova i manjih serija. Superstar umetci za termičko upravljanje: bakreni slitini (osobito one bez berilija). Vrhunski alatni čelici razgurate granice najzahtjevnijih primjena: precizni alati s ekstremnom tvrdoćom. Izbalansirajte prioritete svog projekta, posebno volumen, materijal, složenost i zahtjeve za hlađenjem u odnosu na budžet, koristeći ova glavna svojstva materijala kako biste donijeli najbolju odluku u pogledu vijeka trajanja kalupa, kvalitete proizvoda i učinkovitosti proizvodnje.