Пресс-форма из алюминия или стали: стойкость, цена и окупаемость

Термопластавтомат и форма: кто за что отвечает

Термопластавтомат (ТПА) плавит гранулы пластика в обогреваемом цилиндре шнеком, под давлением впрыскивает расплав в закрытую форму, выдерживает, пока деталь остынет, раскрывает форму и выталкивает отливку. Станок один на десятки изделий. Всё, что делает деталь именно этой деталью, сидит в форме.

От формы зависят точность, поверхность, срок службы и цена детали. Как вообще делают вставки, колонки и литниковую систему, подробно разобрано в статье о пресс-формах и штампах. Здесь речь о выборе материала формы и о деньгах.

Материалы формы: стойкость, твёрдость, срок

Алюминиевые сплавы для оснастки (7075, QC-10 и аналоги) делают формы быстро: по оценке Fictiv, ЧПУ обрабатывает алюминий в 3–10 раз быстрее стали. Они лучше отводят тепло, и Moldmaking Technology приводит сокращение времени охлаждения до 40 % по сравнению с P20. Цена за это в твёрдости: порядка 150 HB у 7075-T6 против 28–32 HRC у P20.

Цифры по стойкости взяты у Fictiv (алюминий до 10 000, P20 50 000–100 000, H13 500 000–1 000 000) и Phoenix Proto Technologies (алюминий без покрытия 5 000, с твёрдым покрытием до 50 000). Относительная цена в таблице отражает допущения этой статьи, а не прайс: она зависит от размера формы, числа гнёзд и сложности. Для ориентира Formlabs называет алюминиевую форму на 1 000–5 000 деталей в 2–5 тысяч долларов, а стальную на 10 000 деталей и больше от 5 до 100 тысяч долларов.

Где в этой картине отечественные марки. Улучшенные 40Х, 40ХН и 5ХНМ берут как замену P20 там, где форма небольшая и тираж скромный, при условии что твёрдость доведена до 28–35 HRC (сверьтесь с картой твёрдости). Для закалённых вставок под стекло используют Х12МФ с рабочей твёрдостью 58–62 HRC или 4Х5МФ1С. Стали 9ХС и ХВГ в формообразующих деталях встречаются реже. Их закаливают на 60 HRC и выше под мелкие знаки и сердечники, которые нужны малодеформирующейся сталью, а сами по себе полости из них не делают. Что происходит с металлом при закалке и отпуске, описано в статье о термообработке, а основу для пакета плит берут из стали 40Х или стали 45.

Пластик, усадка и геометрия детали

Полость формы всегда больше детали. Остывая, пластик усаживается, и размер вставки получают делением номинала на (1 − усадка). Для детали 100 мм из ABS с усадкой 0,5 % полость выходит около 100,5 мм, из PP при 1,5 % около 101,5 мм. Ошибка в 1 % на размере 100 мм это целый миллиметр, и в формах из закалённой стали такую ошибку приходится исправлять дорогой электроэрозией, поэтому первую полость нередко делают с запасом по металлу.

Усадка и наполнитель взяты из справочной таблицы Team Rapid Tooling, толщины стенок из спецификации Fictiv, уклоны из руководства Hubs и Team Rapid: для жёстких пластиков ABS и PC 0,5–2°, для полужёстких PP и PE 0,5–1,5°, а для текстурированной поверхности добавляют ещё 1–2°. Диапазон усадки у разных поставщиков отличается, у PA6 в некоторых таблицах верхняя граница доходит до 2 %, поэтому точную цифру берут из паспорта конкретной марки гранул. Для PP с 30 % стекла Team Rapid приводит падение усадки с 2,0 % до 0,4 %.

Три правила геометрии прямо связаны с материалом формы. Стенку держат равномерной: переход от 3 мм к 2 мм по оценке Hubs сокращает время цикла на 50–75 %, то есть цену каждой детали. Рёбра делают толщиной 50–60 % от стенки, иначе на лицевой стороне проступают утяжины. Уклоны оставляют на всех вертикальных поверхностях, потому что без них деталь царапает полированную сталь при выталкивании, а на алюминии царапины глубже. Для размеров под допуски посмотрите квалитеты: литьё из ABS обычно держит заметно более грубые, чем фрезеровка.

Как делают форму: ЧПУ, ЭЭО и полировка

Алюминий и улучшенную сталь P20 фрезеруют на обрабатывающем центре сразу в размер: закалки нет, деформаций нет. Закалённую H13 фрезеруют до термообработки с припуском, закаливают, а размеры доводят шлифовкой, фрезеровкой твёрдым сплавом и электроэрозией. Электроэрозия нужна там, куда не пролезает фреза: глубокие рёбра шириной 0,5–1 мм, острые внутренние углы, глухие карманы. Тонкая фреза на большой глубине прогибается и ломается, а графитовый электрод с таким профилем проходит. Ра после чистовой электроэрозии 0,63–1,25 мкм, и остаётся «белый слой» с микротрещинами, который перед полировкой снимают.

От полировки зависит не только блеск: чем глаже полость, тем легче деталь выходит из формы и тем меньше усилие на толкателях. Твёрдая сталь держит полировку годами, алюминий и P20 царапаются быстрее, а на стеклонаполненном пластике зеркало «мутнеет» в первые тысячи циклов.

Сколько стоит форма и как считать окупаемость

Готовых цен из прайсов давать нельзя: цена формы зависит от размера, числа гнёзд, ползунов и текстуры. Поэтому считаем на допущениях, и вы подставите свои.

Формула: окупаемость в деталях = цена формы ÷ (цена детали по альтернативной технологии − цена отливки).

• Алюминиевая форма против 3D-печати: 220 000 ÷ (600 − 25) ≈ 383 детали.
• Алюминиевая форма против ЧПУ: 220 000 ÷ (1 800 − 25) ≈ 124 детали.
• Форма из P20 против 3D-печати: 600 000 ÷ 575 ≈ 1 043 детали.

Это окупаемость формы, а не выбор материала: когда алюминия не хватает по ресурсу, нужно сравнить итоговую цену штуки с учётом замены. Для примера вторую алюминиевую форму берём по полной цене, хотя на практике меняют вставки и платят меньше:

Граница между алюминием и P20 в этом примере лежит около 27 тысяч деталей, между P20 и H13 в сотнях тысяч. Если изделие живёт годы и тираж неизвестен, Fictiv советует идти этапами: алюминий для проверки конструкции и запуска, потом сталь, когда спрос подтверждён. Метод расчёта цены детали в целом разобран в статье о составе цены на ЧПУ и о себестоимости заказа.

Когда форма не нужна: силикон и печать

До сотни-двух деталей форму не окупить. Вакуумное литьё полиуретана в силиконовые формы даёт около 20–25 отливок с одной формы и годится для десятков штук с поверхностью, близкой к серийной. Сравнение технологий по тиражам с расчётом на 1, 10, 100 и 1000 деталей есть в статье «Прототип или серия». Если из ABS нужно триста деталей, то 3D-печать по цене 600 ₽ даёт 180 тысяч рублей, и алюминиевая форма за 220 тысяч с отливкой по 25 ₽ ещё не окупилась. На шестистах деталях та же форма уже выигрывает.

Брак литья и что в нём виноват форма

Брак принято сначала лечить параметрами впрыска, но у многих дефектов причина в форме, и это решается один раз при её изготовлении.

Облой на алюминиевых формах возникает чаще всего: край плоскости разъёма смыкается тысячи раз и «садится». Поэтому в мягких формах плоскость разъёма усиливают закалёнными вставками, а на деталях, где ребро или стык видно глазу, выбирают сталь с самого начала.