Matrissen in de productiewereld zijn onopgemerkte helden die onnoembaar veel producten hun vorm geven. Toch is het een grote vergissing om te geloven dat alle matrissen gelijk zijn. Het is vergelijkbaar met het verschil tussen gereedschap dat wordt gebruikt om metaal te vormen en dat wat wordt gebruikt voor het vormgeven van kunststof; dit zijn twee totaal verschillende zaken, bedoeld om unieke materiaaleigenschappen en productie-eisen adequaat te verwerken. Het is belangrijk dat ingenieurs, ontwerpers en producenten de belangrijkste verschillen tussen metaalstempelmatrissen en kunststofverwerkende matrissen begrijpen.
1. De kernuitdaging: materiaalgedrag
Metaalstempelvormen: Deze vormen hebben te maken met het probleem van plastische vervorming in vaste toestand. Tussen de componenten van de vorm wordt een metalen plaat of strip (bijvoorbeeld staal, aluminium, koper) geplaatst. Het gebruik van grote druk (tonnage) dwingt het metaal eraan toe te geven, het buigt, rekt uit, knipt of trekt in een mogelijke vorm zonder te smelten. Deze druk is gericht op het overwinnen van de vloeigrens van het metaal en het beheersen van veerkracht (de neiging van het metaal om iets terug te veren naar zijn oorspronkelijke vorm).
Kunststof verwerking gietvormen (molden): Deze werken met gesmolten of sterk verweekt materiaal. De kunststofkorrels worden gesmolten totdat ze kunnen stromen als een viskeuze vloeistof. Dit smelt wordt vervolgens onder druk ingespoten of in een matrijsholte gedwongen. De kunststof stolt in de gietvorm en neemt daarbij zijn definitieve vorm aan. Dit komt doordat het moeilijk is om de stromingsdynamica te beheersen, ervoor te zorgen dat de holte volledig wordt gevuld, het koelproces zodanig te beheersen dat de defecten minimaal zijn (zoals inkrimping of vervorming) en het uitwerpen van het gestolde onderdeel gemakkelijk wordt gerealiseerd.
2. Ontwerp en constructie prioriteiten van gietvormen
Metaalstansgietvormen:
●Sterkte en slijtagebestendigheid: Van groot belang. Gietvormen moeten massale belastingen verdragen, vaak herhaalde inslagen en het vervangen van verstoppingen en schuren van slijpende contacten met bewegende metalen. Gereedschapstaal (zoals D2, A2) of zelfs carbide worden gebruikelijk ingezet en worden vaak gehard tot een zeer hoge hardheid op de schaal van Rockwell C.
●Precisie-afstand: Bij het knippen komt het scharen op een zeer kleine afstand tussen stans en matrijsblok te liggen, om zodoende excesieve aanslibbing en/of beschadiging van de gebruikte gereedschappen te voorkomen.
●Drukoverbrenging: Het ontwerp is gericht op efficiënte overbrenging van grote tonnage met behulp van sterke constructie-elementen (stansen, matrijsblokken, schoenen).
●Vaak: Stansgereedschappen van vele vormen, met name gerelateerd aan buig- of gewoon knipmodi, vereisen niet de uitgebreide complexiteit van kunststofmatrijzen.
●Kunststofverwerkende matrijzen (vormen):
●Complexe holte en kern: De matrijs bepaalt de complexe externe (holte) en interne (kern) geometrie van het betreffende kunststofartikel. De complexiteit kan zeer hoog zijn.
●Koelsysteem: Een intern systeem van koelvloeistof (water of olie) kanalen is essentieel. Geoptimaliseerde, consistente koeling heeft een directe invloed op de cyclusduur en onderdeelkwaliteit.
●Gietdeelsysteem: De spuits, leiders, gaten waardoor de gesmolten kunststof in de holte wordt afgezet die uit de machineopening komt. Het ontwerp beïnvloedt de stroompatronen, vuldruk en het uiterlijk van de onderdelen.
●Uitschoofmechanisme: Pinnen, hulzen of liften worden zorgvuldig op hun plaats gebracht om het afgekoelde onderdeel uit de matrijs te verwijderen zonder het te beschadigen.
●Ventilatie: Ventilatie gebeurt via kleine kanalen of gaten om lucht die in de holte is opgesloten te ontluchten wanneer het smeltmateriaal binnenkomt, om verbranding of onvolledig vullen te voorkomen.
●Materiaal: Kan bestaan uit gehard gereedschapstaal (P20, H13, S7), of roestvrij staal van verschillende soorten, maar ook de oppervlakteafwerking en corrosiebestendigheid (met name bij bepaalde kunststoffen) zijn belangrijke factoren.
3. De productieomgeving
Metaalstansen: Dit gebeurt meestal op een mechanische of hydraulische pers. Deze zijn meestal zeer snel in hun werking (honderden onderdelen per minuut kunnen worden verwerkt tot basiscomponenten). Dit is normaal gesproken een koud proces, hoewel er enkele speciaal ontwikkelde vormgevingsprocessen zijn die verwarming vereisen. Wrijving en slijtage worden vaak verminderd met smeermiddelen.
Kunststofverwerking: Zo wordt kunststof voornamelijk verwerkt met behulp van in spuitgietmachines, maar ook via andere methoden zoals blaasvorming, compressievorming, enzovoort. Het proces zelf kent een aanzienlijke hoeveelheid warmte: het smelten van de kunststof gevolgd door het afkoelen in de matrijs. Een cyclus kan variëren van seconden tot minuten, afhankelijk van de grootte van het onderdeel en de wanddikte. De koelrendement heeft grote invloed op de cyclusduur. Soms worden smeermiddelen afgegeven, hoewel deze niet zo universeel worden gebruikt als stanssmeermiddelen.
4. Levensduur & Slijtage Mechanismen
Metaalstansgereedschappen: Abrasieve slijtage - voornamelijk metaal tegen gereedschapstaal, adhesief - slijtage door hechting. Beschadigingen kunnen doet worden. Er kan vermoeidheidsbreuk optreden door hoge cyclische spanningen. Onderhoud kan scherpen, vervangen van slijtagegebieden of het inzetten van inlegstukken omvatten. De levensduur wordt traditioneel gemeten in honderdduizenden of miljoenen slagen met goed onderhouden stempels.
Kunststofbewerkingsmatrijzen: De soorten slijtage die optreden zijn abrasieve vulstoffen in kunststoffen, corrosie door bepaalde polymeren of koelwater en mogelijk erosie door hoge-velociteit kunststofsmelt. Een cosmetische eigenschap die wordt beïnvloed door het verlies van polijst op het holteoppervlak is het uiterlijk van het product. Onderhoud omvat polijsten, reparatie van oppervlakbeschadigingen en het vrijmaken van verstopte koelkanalen of koelventielen. De levensduur is over het algemeen zeer lang (honderdduizenden tot miljoenen cycli), hoewel zeer gevoelig voor het type gebruikte kunststof en het onderhoud.
Waarom het verschil belangrijk is
Het kiezen van de verkeerde vorm van de ontwerpfilosofie van de matrijs ten opzichte van het materiaal is een instelling op falen. Een matrijs die wordt gebruikt voor het ponsen van materiaal uit metaal heeft niet deze koelkanalen en gating die kunststof vereist. Een afdruk in kunststof zou niet bestand zijn tegen de trillingen van het ponsen van staal. Dit zijn de basisverschillen: vaste vormgeving door plastische vervorming versus smeltverwerking, het optimaliseren van koeling en zorgvuldige speling, stromingsbeheersing en veerkrachtbeheersing, en deze moeten begrepen worden om:
● Effectieve, slijtvaste matrijzen te ontwerpen.
●Productieprocessen te optimaliseren.
●Het geschikte materiaal te kiezen voor de matrijs zelf.
●Problemen in de productie efficiënt op te lossen.
●De kosten van matrijzen en onderdelen correct in te schatten.
Hoewel beide verschillende soorten stempels precisie-instrumenten zijn die nodig zijn bij massaproductie, worden hun ontwerp, constructie en functionaliteit bepaald door de fundamenteel verschillende natuurkundige processen waarmee metalen en kunststoffen tijdens de bewerking van ruwe materialen worden omgezet in gereed producten. Deze fundamentele kloof biedt grote kansen in de productie.