گزینه‌های مواد برای قطعات CNC چیست؟

چرا آلومینیوم انتخاب برتر برای ماشین‌کاری CNC است

آلومینیوم به دلیل استحکام نسبی‌اش در برابر وزن و مقاومت بالای آن در برابر خوردگی، در ماشینکاری با دستگاه کنترل عددی (CNC) پادشاه است. بیش از نیمی از تمام قطعات تولید شده با فرآیندهای CNC در صنایع هوافضا و خودروسازی به نوعی از آلیاژهای آلومینیوم متکی هستند. این مواد وزن را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند، حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد سبک‌تر از معادل‌های فولادی، با این حال از نظر ساختاری عملکرد مناسبی دارند. چه چیزی آلومینیوم را برای این کاربردها عالی می‌کند؟ لایه اکسید طبیعی که روی سطح آن تشکیل می‌شود، مانند یک محافظ داخلی در برابر زنگ‌زدگی عمل می‌کند. قطعات ساخته شده از آلومینیوم بسیار طولانی‌تر دوام می‌آورند، که این امر به ویژه در محیط‌هایی که رطوبت همیشه وجود دارد، مانند مناطق ساحلی یا درون وسایل نقلیه‌ای که در ماه‌های زمستان در معرض نمک جاده هستند، بسیار مهم است.

آلیاژهای رایج آلومینیوم مورد استفاده در قطعات CNC: 6061 در مقابل 7075

آلیاژ 6061 به دلیل تعادل خوب بین شکل‌پذیری و هزینه، همچنان آلیاژ مورد انتخاب برای نمونه‌های اولیه و قطعات عمومی است. در مقابل، آلیاژ 7075 در کاربردهای پرتنش مانند بالهای هواپیما عملکرد بسیار بهتری دارد، جایی که ترکیب غنی‌شده با روی آن، مقاومت به خستگی دو برابری نسبت به 6061 فراهم می‌کند.

مزایای هدایت حرارتی و الکتریکی

هدایت حرارتی آلومینیوم (۱۲۰ تا ۲۱۰ وات بر متر کلوین) آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای استفاده در گرمکن‌ها (هیتسینک‌ها) در الکترونیک تبدیل می‌کند که گرما را ۳۰٪ سریع‌تر از فولاد ضدزنگ دفع می‌کند. هدایت الکتریکی آن (۳۵٫۵×۱۰⁶ سیمنس بر متر) نیز آن را به ماده‌ای ترجیحی برای باسبارها و پوسته‌های اتصال‌دهنده تبدیل می‌کند و اتلاف انرژی در سیستم‌های انتقال توان را به حداقل می‌رساند.

مطالعه موردی: کاربردهای هوافضا

در یک بازطراحی در سال ۲۰۲۳ از براکت‌های نصب ماهواره با استفاده از آلومینیوم 6061-T6، وزن کل مونتاژ ۲۲٪ کاهش یافت که امکان افزایش مدت زمان مأموریت‌ها را فراهم کرد. آندایزینگ پس از ماشین‌کاری، سختی سطحی را ۳۰۰٪ افزایش داد و الزامات محافظت در برابر تشعشعات هوافضا را برآورده کرد.

روند: تولید پایدار با ماشین‌کاری CNC و آلومینیوم بازیافتی

استفاده از آلیاژهای آلومینیوم بازیافتی در قطعات CNC از سال 2020 تاکنون 52٪ افزایش یافته است. روش‌های نوین ذوب اکنون 95٪ از ضایعات پس از تولید را بدون کاهش در قابلیت ماشین‌کاری بازیابی می‌کنند و این امر علاوه بر انطباق با استانداردهای چرخه حیات ISO 14040، هزینه مواد اولیه را 18 تا 25 درصد کاهش داده است.

فولاد و فولاد ضدزنگ برای قطعات CNC با دوام

آلیاژهای فولاد در کاربردهای صنعتی CNC که به دوام بسیار بالایی نیاز دارند، سهم بیش از 60 درصد از قطعات ماشین‌آلات سنگین را فولاد یا مواد مبتنی بر فولاد تشکیل می‌دهند. تولیدکنندگان به دلیل استحکام ساختاری بی‌نظیر فولاد در محیط‌های پرتنش، آن را ترجیح می‌دهند.

استحکام مکانیکی قطعات فولادی CNC در کاربردهای صنعتی

اجزای فولادی که از طریق ماشین‌کاری با دستگاه کنترل عددی (CNC) تولید می‌شوند، قادر به تحمل تنش‌های شدیدی هستند و می‌توانند در سیستم‌های هیدرولیک و انواع دستگاه‌های پرس تا حدود 2000 مگاپاسکال نیز برسند. در مورد فولادهای کربن بالا مانند درجه 4140، این مواد در واقع حدود 120 درصد وزن بیشتری نسبت به معادل آلومینیومی خود تحمل می‌کنند. به همین دلیل است که این فولادها را اغلب در محیط‌هایی می‌بینیم که شرایط برای قطعات تجهیزات بسیار سخت است؛ مانند محل اتصالات در معادن، درون ترانسمیشن‌های سفت و سخت خودروها و حتی در چرخ‌دنده‌های ماشین‌آلات سنگین ساخت‌وساز. با این حال، برای بسیاری از تولیدکنندگانی که به دنبال صرفه‌جویی در هزینه هستند، فولاد کربنی قدیمی 1045 همچنان گزینه مناسبی محسوب می‌شود. این فولاد دارای حدود 580 مگاپاسکال استحکام تسلیم است که بدین معناست قطعات ساخته شده از آن عمر طولانی‌تری دارند، در عین حال ماشین‌کاری آن نسبتاً آسان است. این ویژگی باعث محبوبیت زیاد آن در میان شرکت‌های تولیدکننده قطعات نصب و اتصال (فنر، پیچ و مهره و غیره) شده است که به دنبال نقطه تعادل بین عملکرد مناسب و هزینه معقول هستند.

مقاومت در برابر خوردگی اجزای فولاد ضدزنگ ماشین‌کاری شده با دستگاه CNC

قطعات فولاد ضدزنگ ماشین‌کاری شده با دستگاه کنترل عددی (CNC) هزینه تعویض تجهیزات را در محیط‌های خورنده به میزان ۴۰٪ نسبت به فولاد کربنی بدون پوشش کاهش می‌دهد. لایه اکسید کروم موجود در درجاتی مانند ۳۰۴ و ۳۱۶ این مزیت را فراهم می‌کند:

صنایع فرآوری مواد غذایی و دریایی از فولاد ضدزنگ ۳۱۶ برای قطعات پمپ استفاده می‌کنند که در معرض کلریدها و اسیدهای آلی قرار دارند.

مقایسه: فولاد ضدزنگ ۳۰۴ در مقابل ۳۱۶ در ماشین‌کاری CNC

هرچند هر دو درجه مقاومت عالی در برابر خوردگی ارائه می‌دهند، اما فولاد ضدزنگ ۳۱۶ حاوی ۲ تا ۳ درصد مولیبدن است که عملکرد آن را در بدنه شیرهای سکوهای نفتی دریایی، تیغه‌های اختلاط دارویی و روکش راکتورهای فرآوری شیمیایی بهبود می‌بخشد. در مقابل، ۳۰۴ برای پروژه‌هایی که اولویت بودجه دارند و نیازی به شرایط محیطی سخت ندارند، ترجیح داده می‌شود و ۶۵ درصد از قطعات CNC آشپزخانه‌های تجاری را تشکیل می‌دهد.

استراتژی: زمانی که باید فولاد را به آلومینیوم برای قطعات CNC ترجیح داد

قطعات فولادی CNC باید برای اجزایی که در دمای بالای 500 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند، به مقاومت کششی بالاتر از 400 مگاپاسکال نیاز دارند یا در عملیات پردازش مواد معدنی با سایش ساینده مواجه هستند، انتخاب شوند. آلومینیوم عمدتاً زمانی منطقی است که کاهش وزن مهم‌تر از حفظ خواص استحکامی باشد، زیرا فولاد در برابر تنش‌های مکرر بسیار بهتر عمل می‌کند و در این نوع کاربردها حدوداً سه برابر مقاومت بیشتری در برابر خستگی ارائه می‌دهد. طبق گزارش‌های مختلف صنعتی، تقریباً 72 درصد از تولیدکنندگان همچنان فولاد را برای قطعات باربر CNC خود در ماشین‌های فرز عمودی انتخاب می‌کنند، احتمالاً به این دلیل که هیچ‌کس نمی‌خواهد فقط برای کاهش چند کیلوگرم، خطر خرابی را تحمل کند.

دلیل استفاده از تیتانیوم در قطعات حیاتی CNC در صنایع هوافضا و دستگاه‌های پزشکی

آلیاژهای تیتانیوم مانند Ti-6Al-4V در بسیاری از کارهای مهم ماشینکاری با دستگاه کنترل عددی (CNC) نقش پیشروی دارند، زیرا چیز خاصی ارائه می‌دهند: استحکام فوق‌العاده در عین سبکی نسبی. این ویژگی تفاوت بسیار زیادی در ساخت قطعات موتورهای جت یا ابزارهای جراحی بسیار ریز اما حیاتی ایجاد می‌کند. برخی تحقیقات در حوزه بیومدیسین نشان می‌دهند که تیتانیوم با بدن انسان سازگاری بهتری نسبت به فولاد ضدزنگ دارد و حدود ۶۰ درصد از رد شدن ایمپلنت‌ها را کاهش می‌دهد. اصلاً بد نیست! آنچه واقعاً این فلزات را متمایز می‌کند، مقاومت آنها در برابر دمای بالا است. صحبت از دماهایی بالای ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد (معادل تقریباً ۱۰۲۲ درجه فارنهایت) است که قبل از اینکه شکل خود را از دست بدهند، تحمل می‌کنند. برای قطعاتی مانند پره‌های توربین در هواپیماها یا محافظ‌های حرارتی، چنین عملکردی بسیار ارزشمند است. علاوه بر این، تیتانیوم به راحتی زنگ نمی‌زند و این بدان معناست که قطعات در محیط‌هایی که آب شور یا مواد شیمیایی خطرناک وجود دارد، عمر طولانی‌تری دارند. به تجهیزات زیردریایی یا ایمپلنت‌های داخل بدن فکر کنید که روزانه در معرض انواع مایعات بدن قرار دارند.

چالش‌های ماشین‌کاری تیتانیوم: سایش ابزار و پیامدهای هزینه‌ای

کار با تیتانیوم در مقایسه با قطعات آلومینیومی به شدت هزینه‌های تولید را افزایش می‌دهد. صحبت از حدود دو تا سه برابر هزینه برای تولید قطعات مشابه آلومینیومی است. مشکل اصلی خواص ضعیف تیتانیوم در انتقال حرارت است. این موضوع باعث می‌شود ابزارها بسیار سریع‌تر فرسوده شوند و قطعات کاربیدی گران‌قیمت باید تقریباً پنج برابر بیشتر نسبت به کار با آلومینیوم تعویض شوند. با این حال راه‌حل‌هایی نیز وجود دارد. برخی از کارگاه‌ها با استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده تحت فشار بالا موفقیت‌هایی داشته‌اند که ظاهراً می‌تواند عمر ابزار را حدود ۳۰ درصد افزایش دهد. اما همچنان باید زاویه صنایع هوافضا را نیز در نظر گرفت. این صنایع به دقت‌های بسیار بالایی نیاز دارند، گاهی تا حدود مثبت و منفی ۰٫۰۰۵ میلی‌متر. رسیدن به این مشخصات به معنای کارکرد دستگاه‌ها با سرعت‌های بسیار کمتر و سرمایه‌گذاری بر روی تجهیزات CNC ویژه‌ای است که اکثر کارگاه‌های ماشین‌کاری عمومی آن را در دسترس ندارند.

تناقض صنعتی: هزینه بالا در مقابل نسبت استحکام به چگالی بی‌همتا

اگرچه قیمت تیتانیوم حدود ۸ تا ۱۲ برابر آلیاژهای آلومینیوم است، اما استحکام بسیار بالای آن نسبت به وزنش باعث می‌شود که هواپیماها در هر چرخه پرواز ۴ تا ۷ درصد سوخت کمتری مصرف کنند. به همین دلیل، بسیاری از تولیدکنندگان رویکرد ترکیبی در پیش می‌گیرند. آن‌ها تیتانیوم را در جاهایی به کار می‌برند که واقعاً مهم است، مانند نقاط بحرانی تنش در دسته‌های بال، اما در قسمت‌های کم‌اهمیت‌تر برای صرفه‌جویی از مواد دیگری استفاده می‌کنند که عملکرد مناسبی دارند. خبر خوب این است که روش‌های جدید ماشین‌کاری به نام شکل تقریباً خالص (near net shape) حدود ۴۰ درصد از ضایعات مواد کاسته‌اند. این امر باعث مقرون‌به‌صرفه‌تر شدن تیتانیوم برای قطعات گران‌قیمت CNC مورد نیاز در کاربردهای نظامی و دستگاه‌های پزشکی می‌شود که عملکرد بالا هزینه اضافی را توجیه می‌کند.

پلاستیک‌ها و مواد تخصصی برای ماشین‌کاری دقیق CNC

مروری بر انواع مواد پلاستیکی مورد استفاده در ماشین‌کاری CNC

امروزه ماشینکاری سی‌ان‌سی بهره‌گیری خوبی از پلاستیک‌های مهندسی دارد که هم ماشینکاری آسانی دارند و هم در صورت نیاز عملکرد محکمی ارائه می‌دهند. برای کاربردهای روزمره، ترموپلاستیک‌هایی مانند ABS و POM انتخاب‌های محبوبی باقی مانده‌اند، زیرا شکل خود را در حین تولید به خوبی حفظ می‌کنند و به راحتی روی دستگاه‌ها کار می‌کنند. زمانی که شرایط بسیار داغ یا شیمیایی خطرناک شوند، موادی مانند PEEK وارد عمل می‌شوند تا این شرایط سخت را مدیریت کنند. بسیاری از تولیدکنندگان پلاستیک را برای قطعات سی‌ان‌سی انتخاب می‌کنند جایی که عایق‌بندی الکتریکی مهم است، یا زمانی که وزن مورد توجه باشد، زیرا این مواد می‌توانند ۳۰ تا ۵۰ درصد سبک‌تر از آلومینیوم باشند. همچنین این مواد به جلوگیری از مشکلات خوردگی در مناطق حساس مانند تجهیزات پزشکی و ماشین‌آلات فرآوری مواد غذایی کمک می‌کنند. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهد که امروزه حدود یکی از هر پنج نمونه اولیه سی‌ان‌سی به جای فلز از پلاستیک استفاده می‌کند، عمدتاً برای کاهش دوره‌های انتظار و صرفه‌جویی در هزینه مواد اولیه.

ABS، PC، PMMA و POM: پلاستیک‌های رایج برای قطعات دوامدار و دقیق سی‌ان‌سی

• ABS : مناسب برای نمونه‌های کاربردی و قطعات خودرو به دلیل مقاومت ضربه‌ای (دمای عملیاتی از 40- تا 80 درجه سانتی‌گراد)
• پلی کربنات (PC) : در پوشش‌های شفاف هوافضا و محافظ‌های ایمنی استفاده می‌شود و استحکام ضربه‌ای آن 250 برابر شیشه است
• PMMA (پلی استر شفاف) : به عدسی‌های نوری و صفحات نمایش ماشین‌کاری می‌شود و 92٪ نفوذپذیری نور دارد، هرچند مستعد خراش است
• POM (استال) : عملکرد کم‌اصطکاک را در چرخ‌دنده‌ها و بوشینگ‌ها فراهم می‌کند و تحمل ±0.05 میلی‌متری را تحت بار حفظ می‌کند

این مواد به مسیرهای ابزار تخصصی نیاز دارند تا از ذوب شدن در حین ماشین‌کاری جلوگیری شود. به عنوان مثال، پلی‌کربنات باید بدون خنک‌کننده و در دور موتور 12,000 تا 15,000 دور در دقیقه فرآوری شود تا ترک خوردگی ناشی از تنش ایجاد نشود.

PA، PE، PBT و پلاستیک‌های با عملکرد بالا مانند PEEK در کاربردهای CNC

تولیدکنندگان هوافضا به طور فزاینده‌ای از PEEK برای قطعات سوخت سی‌ان‌سی استفاده می‌کنند، هرچند هزینه آن 8 تا 10 برابر آلومینیوم باشد. رتبه اشتعال‌پذیری UL94 V-0 و استحکام کششی 15 گیگاپاسکال آن، سرمایه‌گذاری در کاربردهای حساس از نظر ایمنی را توجیه می‌کند.

مزایای الکتریکی و نوری: مس، برنج و آکریلیک در قطعات تخصصی CNC

مواد غیرپلاستیک نقش‌های تخصصی در فرآیندهای CNC ایفا می‌کنند:

• آلیاژهای مس : در قطعات محافظ EMI/RF ماشین‌کاری شده با هدایت الکتریکی 95% IACS استفاده می‌شوند
• برنز فسفری : در اتصالات الکتریکی شکل‌داده‌شده با دستگاه CNC (مقاومت 50 تا 100 میکرو اهم‌سانتی‌متر) به کار می‌روند
• اکریلیک ریخته‌گری‌شده : با ماشینکاری دقیق در صفحات هدایت نور برای نمایشگرها، دستیابی به پرداخت سطحی Ra <0.8 میکرومتر

مطالعه‌ای در سال 2023 نشان داد که استفاده از قطعات نوری آکریلیک ماشینکاری‌شده با دستگاه کنترل عددی (CNC) زمان مونتاژ را در سیستم‌های فوتونیکی نسبت به معادل‌های قالب‌گیری‌شده 40٪ کاهش می‌دهد و همزمان امکان تکرارهای سریع طراحی را فراهم می‌کند.

انتخاب استراتژیک مواد برای قطعات CNC: عملکرد، هزینه و روندها

طراحی خوب قطعات CNC واقعاً زمانی آغاز می‌شود که مواد مناسب را با توجه به شرایط واقعی کاربرد آنها تطبیق دهیم. برای مثال، بدنه شیر هیدرولیکی که باید در طول زمان در برابر مشکلات خوردگی مقاومت کند — بسیاری از مهندسان به فولاد ضدزنگ 316L روی می‌آورند، چون عملکرد بسیار خوبی دارد. در همین حال، قطعات داخل دستگاه‌های MRI معمولاً از آلیاژهای تیتانیوم غیرمغناطیسی ساخته می‌شوند، چون با تجهیزات حساس دستگاه تداخل ندارند. وقتی طراحان ابتدا به کاربردها فکر کنند، در نهایت از مواد کمتری هدر می‌رود و محصولاتی با عمر طولانی‌تر تولید می‌شود. اعداد و ارقام هم این موضوع را تأیید می‌کنند: مطالعات نشان می‌دهند که انتخاب نادرست ماده می‌تواند منجر به هزینه‌های اضافی حدود ۲۵ درصدی برای شرکت‌ها شود که صرف ترمیم اشتباهات در طول تولید می‌گردد.

چگونه الزامات کاربردی، انتخاب مواد CNC را تعیین می‌کنند

اجزای ایمپلنت‌های پزشکی به بیو سازگاری (Ti-6Al-4V) و تحمل در برابر استریل‌سازی اهمیت می‌دهند، در حالی که توربوشارژرهای خودرویی مقاومت در دمای بالا (Inconel 718) را می‌طلبد. مهندسان از ماتریس‌های تصمیم‌گیری که چرخه‌های مقاومت در برابر خستگی، حدود تحمل در برابر مواد شیمیایی و ضرایب انبساط حرارتی را مقایسه می‌کنند، به طور فزاینده‌ای استفاده می‌کنند.

تعادل بین هزینه، قابلیت ماشین‌کاری و عملکرد در قطعات CNC

سازندگان صنعت هوافضا با پارادوکس تیتانیوم مواجه هستند: اگرچه هزینه مواد خام آن سه برابر آلومینیوم 7075 است، اما نسبت استحکام به وزن آن مصرف سوخت را تا ۱۲٪ کاهش می‌دهد. ابزارهای تحلیل چندمعیاره اکنون زمان ماشین‌کاری هر آلیاژ، فراوانی تعویض ابزار و نیازهای پس‌ازپردازش را ارزیابی می‌کنند.

روند: افزایش استفاده از مواد ترکیبی و کامپوزیت‌های ترکیبی در ماشین‌کاری CNC

ترکیبات PEEK تقویت‌شده با الیاف کربن اکنون سختی ۴۰ درصدی بیشتری نسبت به آلیاژهای سنتی در مفصل‌های رباتیک دارند و در عین حال سازگاری با ماشین‌کاری CNC را حفظ می‌کنند. انتظار می‌رود بازار مواد ترکیبی برای قطعات دقیق تا سال ۲۰۳۰ رشد سالانه ۱۸ درصدی داشته باشد که این امر توسط نیازهای سفارشی هدایت حرارتی، الزامات محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و مقررات مواد پایدار ایجاد شده است.

‫سوالات متداول‬

چرا آلومینیوم ماده‌ای محبوب برای ماشین‌کاری CNC است؟

آلومینیوم به دلیل نسبت عالی استحکام به وزن، مقاومت طبیعی در برابر خوردگی و چندمنظوره‌بودن آن در ماشین‌کاری CNC مورد توجه است و برای کاربردهای هوافضا و خودرو مناسب است.

تفاوت بین آلیاژهای آلومینیوم ۶۰۶۱ و ۷۰۷۵ چیست؟

آلومینیوم ۶۰۶۱ به دلیل قابلیت ماشین‌کاری عالی شناخته شده است و در نمونه‌های اولیه و قطعات عمومی استفاده می‌شود، در حالی که آلومینیوم ۷۰۷۵ مقاومت بیشتری دارد و برای کاربردهای پرتنش مانند قطعات هوافضا ایده‌آل است.

فولاد در مقایسه با آلومینیوم در کاربردهای CNC چگونه عمل می‌کند؟

فولاد از استحکام کششی و دوام بیشتری نسبت به آلومینیوم برخوردار است و آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای محیط‌های پرتنش تبدیل می‌کند. با این حال، آلومینیوم سبک‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی است.

تیتانیوم در ماشین‌کاری CNC چه مزایایی دارد؟

تیتانیوم نسبت استحکام به وزن بالایی دارد که آن را برای کاربردهای هوافضا و پزشکی بسیار مناسب می‌کند. همچنین، زیست‌سازگاری عالی و مقاومت بالا در برابر خوردگی دارد.

چرا از پلاستیک‌ها در ماشین‌کاری CNC استفاده می‌شود؟

پلاستیک‌ها به دلیل خواص سبکی، مقاومت در برابر خوردگی و عایق بودن الکتریکی از آن‌ها استفاده می‌شود و آن‌ها را به موادی ایده‌آل برای کاربردهای پزشکی، خودرویی و الکترونیک تبدیل می‌کند.