Hoe kies je de juiste afwerking voor jouw onderdeel?

Als je het hebt over afwerkingsopties, heb je misschien gehoord van onder andere “as-machined”, “anodiseren”, coatings of stralen. Maar voordat we voor elke optie in detail treden, moeten we twee termen verduidelijken: “oppervlakteafwerking” en “oppervlaktebehandeling”. Soms worden ze incorrect gebruikt, wat voor verwarring kan zorgen.

• Oppervlakteafwerking: Oppervlakken hebben kenmerken die voortkomen uit het fabricageproces; deze kenmerken zijn: lay, ruwheid en waviness. Elk van deze is een “oppervlakteafwerking” en in feite kwantificeren ze hoe onregelmatig een oppervlak is (op microschaal). Afhankelijk van de functie van het product, kun je mogelijk specifieke waarden voor deze kenmerken opgeven.
• Oppervlaktebehandeling: Deze term komt overeen met de processen die het uiterlijk van oppervlakken beschermen en verbeteren. Sommige van deze processen voegen materiaal toe, sommige verwijderen materiaal en sommige omvatten warmte, elektriciteit of chemicaliën. Dit artikel gaat dieper in op deze veelvoorkomende processen met als doel jou te helpen het beste voor jouw onderdeel te kiezen.

Oppervlakteafwerking moet niet worden verward met het gebruik van geometrische toleranties zoals vlakheid, profiel of totale runout. Er worden verschillende methoden gebruikt om de oppervlakteafwerking te meten en het beschrijft de onregelmatigheden van een oppervlak op microniveau in plaats van dimensionale onnauwkeurigheden. Je vraagt je misschien af, als geometrische toleranties zijn gedefinieerd op tekening, en als de buitenoppervlakken van het bewerkte onderdeel er goed uitzien, waarom zouden we ons dan druk maken over microniveaus en lagen?

Oppervlakteafwerking en -behandeling zijn vooral belangrijk als het onderdeel in contact komt met andere componenten. Het doel van een kogellager is bijvoorbeeld om de rotatiewrijving te verminderen en radiale en axiale belastingen te ondersteunen. Wanneer een van de races draait, roteren de ballen ook omdat ze in contact zijn. Daarom is de wrijving tussen deze componenten van cruciaal belang. Als de oppervlakken van de kogels of de loopvlakken slechte oppervlakte-afwerkingseigenschappen hebben, wordt de wrijving verhoogd. Dit resulteert in problemen zoals slijtage en verkorting van de levensduur van de componenten, zelfs als deze componenten binnen geometrische toleranties zijn gefabriceerd.

Een ander belangrijk kenmerk van oppervlaktebehandeling is bescherming tegen bijvoorbeeld corrosie. Met de juiste optie verleng je de levensduur van jouw onderdelen door een beschermende laag toe te voegen die de corrosieweerstand verhoogt.

Afbeelding 01 toont een schema van drie kenmerken van de oppervlakteafwerking:

• Lay: richting van het overheersende oppervlaktepatroon. Enkele voorbeelden: radiaal, verticaal, horizontaal, gearceerd, cirkelvormig en isotroop.
• Ruwheid: maat voor de totale onregelmatigheden van het oppervlak. Deze afwijkingen kunnen als profiel worden uitgezet (zie afbeelding 01). Er zijn verschillende methoden om ruwheid te kwantificeren, met de meest populaire definiërende gemiddelden zoals Ra (rekenkundig gemiddelde afwijking). Controleer altijd welke methode en parameters in jouw project worden gebruikt, omdat dit de productspecificaties beïnvloedt en tot verschillende waarden leidt.
• Waviness: Net als bij ruwheid zijn dit oppervlakte-onregelmatigheden, maar met een grotere afstand.

Afbeelding 02 toont een visuele vergelijking van oppervlakken met verschillende ruwheidswaarden. Merk op hoe licht reflecteert op de oppervlakken van de bal, waardoor verschillende verschijningsvormen voor verschillende scenario’s ontstaan. Ruwheid speelt ook een sleutelrol in de contactmechanica, aangezien hogere ruwheidswaarden snellere slijtage van onderdelen, hogere wrijving en onregelmatigheden in oppervlakken veroorzaken die de kiem kunnen vormen voor corrosie en scheuren. Op figuur 02: “Surface 01” is misschien het ideale scenario, terwijl “Surface 04” zelden wenselijk is. Hogere waarden van ruwheid zijn echter niet altijd slecht; wanneer je geïnteresseerd bent in hechting, kan ruwheid een voordeel zijn, maar je moet voorzichtig zijn en de materialen en oppervlakteafwerkingsoptie op de juiste manier kiezen.

Oppervlaktebehandelingsopties (enkele voorbeelden)

Anodiseren

Anodiseren is een passiveringsproces dat een beschermende laag op een aluminium onderdeel creëert. In dit geval wordt gebruik gemaakt van een zuur elektrolytbad met een passerende elektrische stroom (vandaar de naam: anode). Anodiseren is een gecontroleerde manier om een basismateriaal te oxideren om de duurzaamheid en corrosieweerstand te verbeteren. Bij aluminium beschermt een buitenlaag van aluminiumoxide het aluminiumsubstraat. Deze buitenlaag is volledig geïntegreerd met het substraat, zodat het niet schilfert zoals andere coatings zoals verf. Vanwege het poreuze karakter kan het ook worden geverfd en verzegeld.

Black Oxide (zwarten)

Dit proces is typisch van toepassing op ijzerhoudende materialen zoals staal. Het doel is om een zwarte oxidelaag genaamd magnetiet (Fe₃O₄) te creëren die stabieler is dan het natuurlijke roestrode oxide (Fe₂O₃). Het chemische bad is meestal op hoge temperatuur en bevat alkalisch reinigingsmiddel, water, natronloog en een afdichtmiddel zoals olie dat de corrosieweerstand verbetert. Er zijn variaties op dit proces, vooral bij lagere temperaturen. Dit biedt echter minder slijtvastheid. Roestvast staal kan ook worden beschermd met zwarte oxide.

Electroless Nickel Plating

Dit proces is het afzetten van een nikkellegering door chemische reductie zonder gebruik te maken van elektrische stroom. Typische coatings zijn nikkelfosfor, waarbij het hogere fosforgehalte de corrosieweerstand verbetert, maar de hardheid verlaagt. Als je vernikkelen gebruikt om de corrosieweerstand te verbeteren, behandel het dan niet met warmte! Dat zal de corrosieweerstand alleen maar weer verminderen. Aluminium, staal en roestvrij staal kunnen allemaal vernikkeld worden.

Hopelijk heeft dit artikel je geholpen om de oppervlakteafwerking, oppervlaktebehandeling, lay, ruwheid en waviness te begrijpen, en hoe je de juiste afwerkingsopties kiest.

Overweeg jouw ontwerpen te evalueren op oppervlakteafwerking en afwerkingsspecificaties: zullen jouw onderdelen functioneren in een omgeving die corrosie of andere materiële vernietiging kan veroorzaken?

Voor meer informatie over materialen en nabehandelingen kijk hier.

De kosten van draai- en freeswerk

Bij CNC draai- en freeswerk zijn er geen vaste kosten die universeel kunnen worden toegepast op verschillende bewerkingsprojecten. De kostprijs van een CNC-bewerkingsproject wordt mede bepaald door meerdere factoren. Aangezien kosten een essentiële overweging zijn in de meeste projecten, wordt aanbevolen om deze factoren te begrijpen en de mate waarin ze de kosten beïnvloeden.

Dit artikel helpt jou de belangrijkste factoren te begrijpen die de kosten van CNC-bewerkingen bepalen en jouw project te optimaliseren om er het maximale uit te halen.

Factoren die van invloed zijn op de kosten van CNC-bewerking

De belangrijkste factoren die van invloed zijn op de kosten van CNC-gefreesde onderdelen kunnen worden ingedeeld onder apparatuur, materialen, ontwerp, productievolume en afwerkingsbewerkingen.

Apparatuur en machines

Apparatuurkosten worden al meegerekend voordat de bewerking begint. Het zijn echter instelkosten en hebben invloed op de kosten van het project. Hoe duurder het is om een machine aan te schaffen, te bedienen en te onderhouden, hoe duurder de onderdelen die met de machine worden vervaardigd zullen zijn.

Hoe kies je het type CNC machine?

CNC-productie omvat verschillende machinale bewerkingen. Deze omvatten boren, kotteren, draaien en frezen. De meeste hiervan worden uitgevoerd op een CNC-draaibank of een CNC-frees.

Een ander punt is hoe efficiënt de machine zelf is. CNC-machines zijn in de loop der jaren enorm geëvolueerd. De vroege NC- en CNC-machines zijn niets vergeleken met de zeer geavanceerde moderne CNC-machines die tegenwoordig in gebruik zijn. Moderne machines zijn sneller en veel efficiënter. Op de lange termijn maakt deze snelheid de productie van onderdelen goedkoper.

Hoe kies je de tooling?

De kosten van de freesgereedschappen zijn ook van invloed op de totale kosten. Het gereedschapsmateriaal, de coating en de geometrie hebben allemaal invloed op deze kosten. Zo kosten hardmetalen gereedschappen, die harder en hittebestendiger zijn en extreme snelheden kunnen weerstaan, twee keer zo veel dan gereedschappen uit tool steel.

Waarom is CNC frezen duurder?

Freesmachines kosten doorgaans meer dan draaibanken omdat ze complexere bewegende delen hebben; moeilijker in te stellen zijn, te bedienen en te onderhouden; en zijn in staat tot meer complexe operaties. CNC-frezen is daarom over het algemeen duurder dan elke andere bewerking.

Freesmachines zijn van verschillende typen, met verschillende niveaus van complexiteit en capaciteit. Hoe meer assen een freesmachine heeft, hoe duurder deze wordt. Moderne CNC-machines hebben meestal drie of vijf assen. Hoewel 5-assige machines nauwkeuriger en sneller zeer complexe geometrieën aankunnen (dus minder bewerkingstijd nodig hebben), zijn ze meestal duurder dan hun 3-assige tegenhangers.

Instelkosten

Instelkosten dekken de kosten die gemaakt worden ter voorbereiding van de eigenlijke bewerking. Alle CNC-gefreesde onderdelen beginnen als een 3D-model. Het 3D-model is ontworpen door ontwerpexperts met behulp van CAD-software (Computer Aided Design). De middelen die nodig zijn om een 3D-model te produceren, vormen een aanzienlijk deel van de instelkosten.

Instelkosten omvatten ook ontwerpoptimalisatie en CAM-voorbereidingen (Computer Aided Manufacturing) voor te produceren van de onderdelen met behulp van de juiste CAM-software.

Materialen

Hoe de prijs van het materiaal de kosten van CNC-bewerking beïnvloedt?

Het materiaal waaruit een onderdeel is gemaakt, is een van de belangrijkste kostendrijvers. Er zijn verschillende kosten verbonden aan een te bewerken materiaal. De belangrijkste hiervan zijn de kosten van het materiaal zelf. Materialen zijn verschillend geprijsd, waarbij de prijzen worden bepaald door hun beschikbaarheid, gewenste eigenschappen en totale productiekosten.

Metalen zijn meestal duurder dan andere materialen. De onderstaande grafiek toont de relatieve prijzen van enkele veelgebruikte technische metalen. Houd er rekening mee dat de prijzen van metalen fluctueren en dat de exacte prijzen per land kunnen verschillen. De prijzen in onderstaande grafiek zijn relatief.

De bewerkbaarheid van het materiaal, een sleutelfactor

Naast de materiaalkosten is bewerkbaarheid een andere belangrijke kostendeterminant. Materialen met een lage bewerkbaarheid kosten meer tijd en moeite om te bewerken, en in de wereld van CNC-bewerking is tijd letterlijk geld. De kosten van een bewerkt onderdeel zijn recht evenredig met de tijd die nodig is om het te bewerken. Moeilijk te bewerken materialen verbruiken ook meer middelen, zoals koelvloeistoffen, elektriciteit en freesgereedschappen.

Bij Batchforce bieden we een breed scala aan materialen, waaronder aluminiums, metalen en kunststoffen. Je vindt een volledige lijst van de materialen die we aanbieden, samen met hun beschrijvingen.

Design en geometrie

Verbeter de CAD-ontwerpen voor CNC-bewerking

Het ontwerp en de geometrie van onderdelen hebben een aanzienlijke invloed op de kosten.

Het is een vuistregel dat hoe complexer een onderdeel is, hoe duurder het zal zijn om te produceren. Zeer complexe onderdelen vereisen mogelijk meer geavanceerde machines. Ze vereisen ook meer bewerkingstijd, meerdere opspanningen en instellingen, meer middelen en nauwkeurigere inspectie. Dit alles heeft invloed op de kosten van onderdelen.

Bij freeswerk zijn er bepaalde onderdelen en ontwerpen die onvermijdelijk de kosten verhogen. Deze omvatten scherpe binnenhoeken, dunne wanden, diepe holtes, niet-standaard tapgaten en gravering. Deze en andere kostenineffectieve functies die we hebben samengesteld, beïnvloeden de kosten aanzienlijk en moeten worden vermeden, tenzij ze absoluut noodzaak zijn. Bovendien kunnen voor bepaalde ontwerpspecificaties, zoals oppervlakteruwheid of tolerantie-opties, meerdere controles en inspecties nodig zijn.

Ook zijn grote onderdelen logischerwijs duurder om te vervaardigen, omdat ze meer grondstoffen, middelen en productie-inspanning en tijd vergen.

Productie volume

Verlaag de kosten door serie productie

De kosten per eenheid voor een set identieke onderdelen nemen aanzienlijk af naarmate het aantal onderdelen toeneemt. Deze proportionele verlaging van de kosten is het resultaat van de eliminatie van herhaalde installatiekosten. Het CAD-ontwerp, de CAM-voorbereiding en het instellen van de machine worden eenmalig afgehandeld voor alle te vervaardigen onderdelen.

Met behulp van gegevens van ons plaform, vergelijkt de onderstaande grafiek de kosten per eenheid en het aantal eenheden voor het onderdeel in de bovenstaande afbeelding, gemaakt van aluminium EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu.

De bovenstaande grafiek bewijst dat de kosten per onderdeel omgekeerd evenredig zijn met het aantal onderdelen dat wordt vervaardigd. De kosten per eenheid voor een productievolume van 1000 zijn ongeveer 88% lager dan de kosten van een enkelstuk.

Afwerkingsniveau

CNC draai- en freeswerk produceert onderdelen die geschikt zijn om machinaal te worden gebruikt. Bepaalde toepassingen vereisen echter dat onderdelen nabehandeling ondergaan, zoals warmtebehandeling, oppervlakteafwerking en coating om hun functionaliteit, eigenschappen en esthetiek te verbeteren. Dit alles verhoogt de prijs van een onderdeel.

Kosten van CNC-bewerking met het Batchforce-platform

Bij Batchforce begrijpen we hoe lastig het zou zijn om elk van deze talrijke factoren te analyseren om vooraf een geschatte kostprijs voor jouw project te krijgen. Voor elke factor die je wilt wijzigen, moet je jouw berekeningen opnieuw uitvoeren om een nieuwe schatting te krijgen. Daarom hebben we ons platform ontwikkeld die de kosten van een project binnen twee werkdagen berekent. Het enige wat je hoeft te doen is jouw model uploaden en de gewenste specificaties selecteren (materiaal, nabehandeling, toleranties, aantal stuks, etc.)