Metaalgieten in de moderne productie is van groot belang bij het uitsnijden van elementen in de ruimtevaartindustrie, industriële uitrustingen en consumentenproducten. De twee meest voorkomende gietprocessen zijn knijpgieten en spuitgieten. De twee technieken leveren beide hoogwaardige stukken op die met precisie worden geproduceerd, maar het verschil tussen de kosteneffectiviteit en de prestaties van de twee technieken is groot.

Voor inkoopmanagers startups, de beslissing tussen knijpgieten en spuitgieten wacht op een duidelijke kennis van hoe een knijpgieten werkt welke voordelen het biedt en waar het inefficiënt is. Deze blog bespreekt de basisaspecten van knijpgieten en spuitgieten en hun kostenoverwegingen en belangrijkste verschillen met het oog op het helpen van besluitvormers het meest geschikte proces te zien.

Hoe beide werken

Hoe Squeeze Casting werkt

Squeeze casting of smeden van vloeibaar metaal is een hybride proces dat de kenmerken van gieten en smeden samenvoegt. Het begint met het gieten van gesmolten metaal in een voorverwarmde matrijs. Het metaal komt in de matrijs terecht en onder hoge druk stolt het metaal door het gebruik van een hydraulische pers. Deze druk verwijdert gasporositeit en zorgt voor een superieure metallurgische binding en levert een gietstuk op met een hogere dichtheid en sterker dan traditionele processen.

Hoe matrijzen gieten werkt

Het spuitgietproces is een relatief populair gietproces voor massaproductie. In dit proces wordt gesmolten metaal met hoge snelheid en kracht in een gat in een stalen mal (matrijs genoemd) gegoten. De matrijs is nauwkeurig machinaal bewerkt en herbruikbaar, waardoor spuitgieten kosteneffectief is bij de productie van grote volumes.

Belangrijkste kenmerken van spuitgieten en persgieten

Spuitgieten

Spuitgieten Spuitgieten is een snelle en efficiënte methode om gesmolten metaal onder hoge druk in een stalen mal te persen. Het is perfect voor de productie van grote volumes en het proces heeft een hoge oppervlakteafwerking, nauwere toleranties en kan producten maken in complexe vormen met fijne wanden. Toch is het hoge percentage van de laatste veroorzaakt door de snelle. Wanneer spuitgegoten onderdelen worden geïnjecteerd, kunnen deze onderdelen poreus worden, waardoor de structurele integriteit en het vermogen om te worden gelast tekortschieten.

Squeeze gieten

Knijpgieten daarentegen is een tussenvorm tussen gieten en smeden. Hierbij wordt gesmolten metaal in een voorverwarmde matrijs gegoten en vervolgens onder matige tot hoge druk gestold. Hierdoor worden de meeste gasparels bij conventioneel spuitgieten verwijderd, wat leidt tot producten met een grotere dichtheid, minder poreusheid en een hogere mechanische sterkte. Het proces is meer geschikt voor onderdelen die een superieure structurele integriteit nodig hebben, maar verloopt langzamer dan andere processen, waaronder de auto-, luchtvaart- en zware machine-industrie. Beide technologieën geven een goede en gunstige output, maar afhankelijk van het productievolume, de prestaties en wat er materieel nodig is, is de gebruikte technologie ook een optie.

Implicaties voor de kosten

De prijs van het gietproces is een primaire overweging bij de keuze van het gietproces. De initiële investering in matrijzen en apparatuur is vergelijkbaar in zowel het persgieten als het spuitgieten, maar de houdbaarheidskosten zijn verschillend.

Squeeze Gietkosten

• Meer kosten per onderdeel, laatste resultaat: lagere productiesnelheid.
• Lagere bewerkingskosten omdat onderdelen meestal een betere oppervlakteafwerking en sterkte hebben.
• Voordeliger bij matige productievolumes waarbij de nadruk ligt op sterkte ten koste van kwantiteit.

Kosten voor spuitgieten

• Dure startmatrijs/Gereedschapskosten.
• Het duidelijke voordeel zijn de lage kosten per onderdeel bij grote oplages vanwege de kortere cyclustijden.
• Als de vraag groot is en er onderdelen in grote series SWE kunnen worden gemaakt.

Simpel gezegd biedt knijpgieten kwaliteit en prestaties die het spuitgieten levert op een kosteneffectief productieniveau.

Toekomstige trends in spuitgiet- en spuitgiettechnologieën

Het vinden van efficiënte oplossingen die de kwaliteit en duurzaamheid verbeteren, verandert de gietindustrie snel nu fabrikanten de industrie in een groene richting willen sturen. Het ligt in de lijn der verwachtingen dat er in de komende jaren drastische verbeteringen zullen zijn in zowel het spuitgieten als het spuitgieten.

Belangrijkste trends in Squeeze Casting

• Automatisering en robotica die worden gebruikt om de consistentie te verbeteren, zullen de cyclustijden en arbeidskosten verlagen.
• Geavanceerde legeringontwikkeling die een breder gebruik van meer hoogwaardige materialen mogelijk maakt door middel van spuitgieten.
• Geavanceerd matrijsontwerp en computersimulatie om de stolling van metaal en de controle op defecten nauwkeuriger te voorspellen.
• Prioriteit geven aan lichtgewichtproductie om te voldoen aan de behoefte van industrieën die streven naar een lager totaalgewicht van onderdelen, maar niet ten koste van de kracht.

Belangrijkste trends in spuitgieten

• Verbeteringen in het hogedrukgietproces om de porositeit te verminderen en de integriteit van het onderdeel te verbeteren, zoals het gebruik van vacuümgesteund spuitgieten.
• Nieuwe materialen en matrijscoatings voor een lange levensduur van de matrijs en minder onderhoudskosten
• Het concept van digitale tweelingen en de toepassing van Industrie 4.0, zodat het nu mogelijk is om het proces in real-time te monitoren en te optimaliseren.
• Duurzame productiepraktijken zoals energiebesparende ovens en recyclingprogramma's om de gevolgen voor het milieu te beperken.

Prestaties versus kostenprestaties is waar de toekomst van knijpgieten en spuitgieten zal worden bepaald. Squeeze casting zal leidend blijven in sterkte- en duurzaamheidstoepassingen en spuitgieten zal de voorkeur blijven genieten in hoogvolume precisieonderdelen. Nu beide processen meer geautomatiseerde materialen en digitalisering kennen, wordt verwacht dat de gegenereerde waarde in de verschillende industrieën met de tijd zal toenemen.

Belangrijkste verschillen tussen spuitgieten en spuitgieten

Om het onderscheid duidelijk te maken, volgen hier de belangrijkste verschillen:

Proces

  In plaats van stolling in het onderdeel, past persgieten druk toe tijdens het stollen om gesmolten metaal samen te persen en porositeit te verminderen, waardoor dichtere en sterkere onderdelen ontstaan. Spuitgieten zorgt voor maatnauwkeurigheid en is geschikt voor grootschalige productie waarbij het gesmolten metaal met hoge snelheid in de vormholte wordt geperst via de hogedrukinjectiemethode.

Mechanische eigenschappen

De gasporositeit als gevolg van de druk die wordt uitgeoefend tijdens het stollen, maakt persgietstukken ook dichter en sterker omdat de microstructuur wordt verfijnd waardoor uiteindelijk de algemene mechanische eigenschappen zoals treksterkte vermoeidheidsweerstand en duurzaamheid ten opzichte van conventionele spuitgietstukken worden verbeterd.

Productiesnelheid

Spuitgieten is veel sneller, omdat het gesmolten metaal onder hoge druk in de matrijs wordt gespoten en snel stolt, waardoor het zeer effectief is wanneer een hoge productie in een bepaalde tijd nodig is en een aanzienlijk volume van hetzelfde onderdeel binnen een kortere tijd nodig is, zoals bij het langzamere proces van persgieten.

Afwerking oppervlak

Dezelfde nauwkeurigheid van afwerking kan worden bereikt door zowel knijpgieten en spuitgieten, maar knijpgieten is meer kans om onderdelen te leveren met een fijnere afwerking die meestal zal worden onderworpen aan weinig of geen secundaire machinale bewerking, terwijl spuitgieten onderdelen kan produceren met een even hoge oppervlaktekwaliteit, die nog steeds gevoelig kunnen zijn voor overtollige flash of dunne strengen materiaal langs de deellijnen die extra trimbewerkingen en secundaire afwerking vereisen.

Toepassingen

Spuitgieten is het meest geschikt voor voorwerpen waarbij sterkte van cruciaal belang is en duurzaamheid en weerstand tegen mechanische spanning van het grootste belang zijn, bijv. toepassingen met zware belasting/hoge spanningen, terwijl spuitgieten voordeliger kan zijn bij de productie van grote volumes waarbij maatnauwkeurigheid, gewichtsbesparing en ontwerpkosten van primair belang zijn.

Kostenefficiëntie

Spuitgieten is het meest geschikt voor voorwerpen waarbij sterkte van cruciaal belang is en duurzaamheid en weerstand tegen mechanische spanning van het grootste belang zijn, bijv. toepassingen met zware belasting/hoge spanningen, terwijl spuitgieten voordeliger kan zijn bij de productie van grote volumes waarbij maatnauwkeurigheid, gewichtsbesparing en ontwerpkosten van primair belang zijn.

Cyclustijd

De cyclustijden bij hogedrukgieten zijn ongelooflijk kort omdat het geïnjecteerde gesmolten metaal zeer snel stolt in de matrijs, waardoor het het meest efficiënte proces is als grote productieaantallen en een snelle turn-around de belangrijkste prioriteiten zijn. Bij persgieten daarentegen zijn de cycli langer omdat er tijdens het stollen druk moet worden uitgeoefend om porositeit te verwijderen en de microstructuur aan te scherpen. Dit kan de productiesnelheid vertragen, maar het biedt hogere materiaaleigenschappen en een betere onderdeelsterkte die de verminderde snelheid kan compenseren, afhankelijk van de projectspecificaties.

Knijpgieten en spuitgieten in eerste installatiekosten

De initiële installatiekosten zijn een van de dingen die een besluitvormer moet overwegen bij het vergelijken van persgieten en spuitgieten. Dit dekt ook de kosten van de aankoop van de matrijs en de voorbereiding van het gereedschap voorafgaand aan de productie.

Initiële setupkosten bij Squeeze Casting

• Relatief lagere gereedschapsprijs in vergelijking met spuitgieten omdat het proces met minder druk en lage injectiesnelheden werkt.
• Er zijn speciale hydraulische persen nodig om druk uit te oefenen tijdens het stollen en dit draagt bij aan de kosten van de apparatuur.
• De levensduur zou over het algemeen langer moeten zijn in termen van verminderde thermische schokken in het spuitgietproces in vergelijking met hogedruk spuitgieten, wat de initiële investering op de lange termijn helpt compenseren.
• Voordeliger in toepassingen met middelgrote volumes waarbij de hoge mechanische eigenschappen de initiële kosten compenseren.

Initiële setupkosten bij spuitgieten

• De gereedschap- en matrijsontwerpkosten zijn hoog omdat er precisie ontworpen matrijzen nodig zijn die bestand zijn tegen herhaalde injecties onder hoge druk.
• Heeft geavanceerde spuitgietmachines nodig die grote injectiesnelheden en -drukken aankunnen.
• Minder levensduur van de matrijs in vergelijking met persgieten vanwege de hoge thermische en mechanische blootstelling.
• Kan alleen kosteneffectief zijn als de geproduceerde volumes groot zijn en de initiële kosten worden verdeeld over een groot aantal onderdelen.

Kiezen tussen spuitgieten en persgieten

De volgende tabel vat de overwegingen samen voor de keuze tussen persgieten en spuitgieten:

Voordelen en nadelen van knijpen

Voordelen van Squeeze Casting

• Giet delen die dichter en sterker zijn en niet erg poreus.
• Heeft een uitstekende mechanische sterkte en limiet, hoge trek- en vermoeidheidstolerantie.
• Biedt bijna-net-vorm componenten die minder tweede bewerking toestaan.
• Toepasbaar in toepassingen met middelgrote volumes wanneer kwaliteit en betrouwbaarheid belangrijk zijn.

Nadelen van Squeeze Casting

• Minder snelle productiecyclus dan bij spuitgieten.
• De kosten per onderdeel stijgen door de toenemende verharding.
• Slechte functionaliteit in extreem grote fabrieken.
• Het vereist ook een hoge procesnauwkeurigheid en speciale apparatuur.

Voordelen van spuitgieten

• Zeer snelle productiemethoden die geschikt zijn voor massaproductie.
• Uitstekende maatnauwkeurigheid, oppervlakteafwerking van topkwaliteit.
• Rendabel bij bulkproductie vanwege de goedkope eenheidsprijs.
• In staat om zowel complexe geometrie als dunwandige producten te produceren.

Nadelen van spuitgieten

• Andere onderdelen kunnen poreus zijn, wat de sterkte en duurzaamheid vermindert.
• Aanzienlijke opzetkosten voor gereedschap en mallen.
• Niet zo geschikt voor toepassingen die hoge mechanische eigenschappen vereisen.
• Het meeste moet worden gesneden en verder afgewerkt.

Gemeenschappelijke misvattingen over spuitgieten en spuitgieten uitgelegd

Wanneer mensen knijpgieten en spuitgieten met elkaar vergelijken, ontstaan er verschillende misvattingen door de overlap in gebruik en een algemene onwetendheid van de processen. Het ontkrachten van deze mythes zal de startende inkoopmanager en ingenieurs helpen om weloverwogen keuzes te maken.

Misvatting 1: beide processen produceren dezelfde kwaliteit

Werkelijkheid: Hoewel ze goed verfijnde en nauwkeurige onderdelen geven, zijn de mechanische eigenschappen verschillend. Bij persgieten is er een dichter, sterker onderdeel met minimale porositeit, terwijl spuitgieten microporositeit kan bevatten die de sterkte vermindert, maar een uitstekende maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking biedt.

Misvatting 2: Spuitgieten is gewoon een langzamere versie van spuitgieten

Werkelijkheid: Knijpgieten is niet alleen een langzamer spuitgietproces. Het is een tussenproces dat de eigenschappen heeft van gieten en smeden. De druk die gebruikt wordt bij het stollen verbetert de metallurgische binding die anders niet gerealiseerd zou worden bij een spuitgietproces.

Misvatting 3: spuitgieten is altijd de goedkoopste optie

Werkelijkheid: Het proces kan goedkoper zijn bij grote volumes vanwege kortere cyclustijden en het hergebruik van mallen. Niettemin geeft het verwijderen van de braampoorten de mogelijkheid dat persgieten voordeliger kan blijken te zijn bij middelgrote productieseries waar het sterktevoordeel en het wegvallen van secundaire bewerkingen de volledige eigendomskosten daadwerkelijk goedkoper kunnen maken dan gieten.

Misvatting 4: beide processen zijn geschikt voor elk materiaal

Werkelijkheid: De materiaalkeuze is essentieel. Spuitgieten wordt meestal toegepast met non-ferro legeringen zoals aluminium magnesium en zink terwijl persgieten de voorkeur zou krijgen als een sterkere legering op basis van aluminium of koper is verplicht.

Misvatting 5: de kwaliteit van de oppervlakteafwerking is identiek

Werkelijkheid: Hoewel het spuitgieten voor een zeer goede oppervlakteafwerking zorgt, moeten de onderdelen worden bijgesneden en nabewerkt. Het andere proces, persgieten, kan bijna-net-vorm onderdelen produceren die een minimale nabewerking vereisen vanwege de opgelegde stollingsdruk.

Knijpgieten en spuitgieten in energieverbruik en efficiëntie

Het gebruik van energie en de efficiëntie van energie is een belangrijk criterium bij de keuze van een gietproces. Zowel persgieten als spuitgieten zijn processen die veel energie vragen, maar de manier van energieverbruik en energie-efficiëntie zijn ook verschillend.

Energieverbruik bij spuitgieten

• Hebben geen grote energiebehoefte omdat ze geen turbulentie gebruiken door gebruik te maken van zeer hoge injectiedrukken.
• Moet een hydraulische pers gebruiken om de druk tijdens het stollen te handhaven, wat meer stroom verbruikt per cyclus.
• Grotere cyclustijden leiden tot meer energie per gebruikt onderdeel dan bij spuitgieten.
• Ongeacht het hogere energieverbruik per onderdeel, produceert het proces materiaaleigenschappen die superieur genoeg zijn om mogelijk een tweede procesbehandeling of nabewerking overbodig te maken.

Energieverbruik bij spuitgieten

• Er is extreem veel energie nodig om gesmolten metaal op temperatuur te houden en met hoge snelheid en druk in een injectiemedium te brengen.
• Spuitgieten is uiterst efficiënt in massaproductie vanwege kortere cyclustijden en een snelle stollingssnelheid.
• Als het productievolume hoog is, zijn de energiekosten per onderdeel laag.
• Het heeft het voordeel dat het automatisch en opnieuw verwerkt (gerecycled) kan worden, wat de algemene efficiëntie in de grootschalige praktijk ten goede komt.

Vergelijking van efficiëntie

• Squeeze Gieten: Niet zo energiezuinig per eenheid omdat hun cyclustijden langer zijn, maar compenseert dit aspect door sterkere onderdelen te leveren die minimale nabewerking vereisen.
• Spuitgieten: Spuitgieten is energie-intensiever per cyclus, maar het proces is over het algemeen zeer efficiënt vanwege de grote productievolumes, omdat de kosten en energie die per gietstuk nodig zijn, verdeeld worden over duizenden onderdelen.

Conclusie

Spuitgieten en knijpgieten zijn zeer belangrijke praktijken in de hedendaagse metaalproductie. Spuitgieten is ideaal wanneer sterkte, dichtheid en betrouwbaarheid belangrijker zijn, terwijl spuitgieten beter van pas komt wanneer grote volumes van strakke onderdelen tegen lagere kosten nodig zijn. Voor productontwerpers en productietechnici in de aanloopfase is de beslissing afhankelijk van de projectbehoefte. Als duurzaamheid en mechanische prestaties van belang zijn, zal persgieten het voordeel geven. Als snelle schaalsnelheid en kosteneffectief spuitgieten een primaire overweging is, dan is spuitgieten het vergeleken onbuigzame alternatief. Kennis van het verschil in deze twee processen helpt besluitvormers om hun productiestrategie af te stemmen op prestatie-eisen, productievolume en budgettaire beperkingen.