Welke materiaalopties zijn er voor CNC-onderdelen?

Waarom aluminium een topkeuze is voor CNC-bewerking

Aluminium is koning als het gaat om CNC-bewerking vanwege zijn sterkte in verhouding tot gewicht en het feit dat het niet gemakkelijk corrodeert. Meer dan de helft van alle onderdelen die via CNC-processen worden gemaakt in zowel de lucht- en ruimtevaart als de auto-industrie, zijn vervaardigd uit verschillende soorten aluminiumlegeringen. Deze materialen zorgen voor een aanzienlijke gewichtsreductie, ongeveer 40 tot 60 procent lichter dan staalvarianten, en zijn toch structureel volledig geschikt. Wat maakt aluminium zo geschikt voor deze toepassingen? Er ontstaat namelijk een natuurlijke oxidecoating op het oppervlak, die fungeert als een ingebouwd schild tegen roest. Onderdelen gemaakt van aluminium gaan veel langer mee, wat vooral belangrijk is in omgevingen waar vocht altijd aanwezig is, zoals in kustgebieden of in voertuigen die in de winter blootgesteld worden aan wegzout.

Veelgebruikte aluminiumlegeringen in CNC-onderdelen: 6061 versus 7075

6061 blijft de standaardlegering voor prototypen en algemene onderdelen vanwege de goede balans tussen vormbaarheid en kosten. Daarentegen blinkt 7075 uit in toepassingen met hoge belasting, zoals vleugelliggers van vliegtuigen, waarbij de zinkverrijkte samenstelling tweemaal zo grote vermoeiingsweerstand biedt als 6061.

Voordelen van thermische en elektrische geleidbaarheid

De thermische geleidbaarheid van aluminium (120–210 W/m·K) maakt het ideaal voor warmteafvoer in elektronica, waar het 30% sneller warmte dissipeert dan roestvrij staal. Ook vanwege zijn elektrische geleidbaarheid (35,5×10⁶ S/m) wordt het vaak gebruikt voor stroomrails en connectorbehuizingen, waardoor energieverlies in stroomsystemen wordt geminimaliseerd.

Casus: Lucht- en ruimtevaarttoepassingen

Bij een herontwerp in 2023 van bevestigingsbeugels voor satellieten met gebruik van 6061-T6 aluminium werd het totale assemblagegewicht met 22% verlaagd, wat langere missieduur mogelijk maakte. Na het frezen werd geanodiseerd, wat de oppervlaktehardheid met 300% verhoogde en daarmee voldoet aan de eisen voor stralingsafscherming in de lucht- en ruimtevaart.

Trend: Duurzame CNC-productie met gerecycled aluminium

De toepassing van gerecycled aluminiumlegeringen in CNC-onderdelen is sinds 2020 met 52% gestegen. Moderne smelttechnieken herwinnen nu 95% van de restmaterialen na productie zonder de bewerkbaarheid te beïnvloeden, in overeenstemming met ISO 14040 levenscyclusnormen en met een kostenbesparing op materiaal van 18–25%.

Staal en roestvrij staal voor duurzame CNC-onderdelen

Staallegeringen domineren industriële CNC-toepassingen die extreme duurzaamheid vereisen, waarbij meer dan 60% van de onderdelen voor zware machines staalgebaseerde materialen gebruikt. Fabrikanten geven de voorkeur aan staal vanwege de ongeëvenaarde structurele integriteit in omgevingen met hoge belasting.

Mechanische sterkte van stalen CNC-onderdelen in industriële toepassingen

Staalcomponenten die geproduceerd worden via CNC-bewerking kunnen flinke spanningen weerstaan, tot wel 2000 MPa in hydraulische systemen en verschillende soorten persmachines. Wat betreft hoogkoolstofhoudend staal zoals kwaliteit 4140, houden deze materialen ongeveer 120 procent meer belasting tegen dan hun aluminium tegenhangers. Daarom zien we ze zo vaak op plaatsen waar het hard toegaat bij uitrustingsverbindingen in mijnen, binnen robuuste automobieltransmissies en zelfs in de tandwielen van zware bouwmachines. Voor veel fabrikanten die kosten in ogenschouw nemen, heeft goed oud koolstofstaal 1045 nog steeds iets te bieden. Het levert ongeveer 580 MPa aan vloeigrens, wat betekent dat onderdelen ervan langer meegaan terwijl ze relatief gemakkelijk te bewerken zijn. Dit maakt het erg populair bij bedrijven die bevestigingsmiddelen produceren en die zoete spot nodig hebben tussen wat goed werkt en wat niet al te duur is.

Corrosiebestendigheid van roestvrijstalen CNC-componenten

Roestvrijstalen CNC-onderdelen verlagen de kosten voor apparatuurvervanging met 40% in corrosieve omgevingen, vergeleken met onbehandeld koolstofstaal. De chroomoxide laag in kwaliteiten zoals 304 en 316 zorgt voor:

De voedingsmiddelenindustrie en maritieme industrie gebruiken roestvrijstaal 316 voor pompcomponenten die blootgesteld zijn aan chloriden en organische zuren.

Vergelijking: 304 versus 316 roestvrijstaal bij CNC-bewerking

Hoewel beide kwaliteiten uitstekende corrosieweerstand bieden, bevat roestvrijstaal 316 2–3% molybdeen voor verbeterde prestaties in olieplatformafsluiters, mengbladen in de farmaceutische industrie en reactorvoeringen in de chemische procesindustrie. Kwaliteit 304 blijft de voorkeur voor budgetbewuste projecten zonder extreme milieueisen en wordt gebruikt in 65% van de commerciële keukenonderdelen die met CNC worden bewerkt.

Strategie: Wanneer staal te kiezen boven aluminium voor CNC-onderdelen

Stalen CNC-onderdelen moeten worden gekozen voor componenten die werken bij temperaturen boven de 500 graden Celsius, een treksterkte boven de 400 MPa nodig hebben, of te maken hebben met slijtage door schurende werking tijdens de verwerking van mineralen. Aluminium is vooral zinvol wanneer gewichtsreductie belangrijker is dan het behoud van sterkteeigenschappen, aangezien staal veel beter bestand is tegen herhaalde belasting en ongeveer driemaal de vermoeiingsweerstand biedt in dit soort toepassingen. Volgens diverse sectorrapporten kiest ongeveer 72 procent van de fabrikanten nog steeds voor staal bij dragende CNC-onderdelen op verticale freesmachines, waarschijnlijk omdat niemand het risico op uitval wil lopen alleen om een paar pond te besparen.

Waarom titanium wordt gebruikt voor kritieke CNC-onderdelen in de lucht- en ruimtevaart en medische apparatuur

Ti-6Al-4V en andere titaniumlegeringen domineren vele belangrijke CNC-bewerkingsopdrachten omdat ze iets unieks bieden: ongelooflijke sterkte bij relatief weinig gewicht. Dit maakt een groot verschil bij de productie van onderdelen voor straalmotoren of die kleine maar cruciale chirurgische instrumenten. Enig onderzoek uit de biomedische sector suggereert dat titanium beter met ons lichaam samenwerkt dan roestvrij staal, wat het aantal afgewezen implantaten met ongeveer 60% verlaagt. Helemaal niet slecht! Wat deze metalen echt onderscheidt, is hoe goed ze het blijven doen bij hoge temperaturen. We hebben het over temperaturen boven de 550 graden Celsius (ongeveer 1022 graden Fahrenheit) voordat ze hun vorm beginnen te verliezen. Voor dingen als turbinebladen in vliegtuigen of hitteafscherming is dit soort prestaties goud waard. Bovendien roest titanium moeilijk, wat betekent dat componenten langer meegaan op plaatsen waar zoutwater of agressieve chemicaliën normaal gesproken andere materialen zouden aantasten. Denk aan onderwatertechniek of implantaten die binnen iemands lichaam dag na dag blootstaan aan allerlei lichaamsvloeistoffen.

Uitdagingen bij het bewerken van titaan: slijtage van gereedschap en kostenimplicaties

Het werken met titaan verhoogt de productiekosten aanzienlijk in vergelijking met aluminium onderdelen. We hebben het hier over ongeveer twee tot drie keer zo hoge kosten als voor soortgelijke aluminium componenten. Het hoofdprobleem is de slechte warmtegeleiding van titaan. Dit zorgt ervoor dat gereedschappen veel sneller slijten, en die dure hardmetalen frezen moeten ongeveer vijf keer zo vaak worden vervangen als bij aluminium. Er zijn wel manieren om dit te omzeilen. Sommige bedrijven hebben succes gehad met systemen voor koeling onder hoge druk, die blijkbaar de levensduur van gereedschap met ongeveer 30 procent kunnen verlengen. Maar dan is er nog de aerospace-toepassing om rekening mee te houden. Deze industrieën eisen uiterst nauwe toleranties, soms zo klein als plus of min 0,005 millimeter. Het halen van deze specificaties betekent dat machines veel langzamer moeten draaien en dat er moet worden geïnvesteerd in speciale CNC-apparatuur die de meeste algemene machinewerkplaatsen gewoon niet paraat hebben.

Industriële paradox: hoge kosten versus ongeëvenaarde sterkte-dichtheidsverhouding

Hoewel het ongeveer 8 tot 12 keer zoveel kost als aluminiumlegeringen, biedt titaan een dermate grote sterkte in verhouding tot zijn gewicht dat vliegtuigen tijdens elk vluchtcyclus daadwerkelijk 4 tot 7 procent minder brandstof verbruiken. Vanwege deze afweging kiezen veel fabrikanten voor een gemixte aanpak. Ze gebruiken titaan waar het het meest toe doet, zoals bij kritieke spanningspunten in vleugelspanten, maar besparen elders geld door andere materialen te gebruiken die voldoende geschikt zijn voor minder belangrijke onderdelen. Het goede nieuws is dat nieuwe bewerkingsmethoden, bekend als near net shape, de materiaalverspilling met ongeveer 40 procent verminderen. Dit maakt titaan betaalbaarder voor dure CNC-onderdelen die nodig zijn in zowel defensietoepassingen als medische apparatuur, waar de prestaties de extra kosten rechtvaardigen.

Kunststoffen en gespecialiseerde materialen voor precisie-CNC-bewerking

Overzicht van soorten kunststofmaterialen gebruikt voor CNC-bewerking

CNC-bewerking maakt vandaag de dag veel gebruik van technische kunststoffen die zowel gemakkelijk bewerkbaar zijn als betrouwbare prestaties bieden wanneer dat nodig is. Voor alledaagse toepassingen blijven thermoplasten zoals ABS en POM populaire keuzes, omdat ze hun vorm goed behouden tijdens de productie en eenvoudig op machines te bewerken zijn. Wanneer het echt heet of chemisch agressief wordt, nemen materialen zoals PEEK de taak over om deze extreme omstandigheden aan te kunnen. Veel fabrikanten kiezen voor kunststoffen bij CNC-onderdelen waar elektrische isolatie belangrijk is, of wanneer gewicht een rol speelt, aangezien deze materialen 30 tot 50 procent lichter kunnen zijn dan aluminium. Ze helpen ook corrosieproblemen te voorkomen in gevoelige omgevingen zoals medische apparatuur en machines voor voedselverwerking. Sectorrapporten geven aan dat ongeveer één op de vijf CNC-prototypen tegenwoordig kunststof bevat in plaats van metaal, vooral om wachttijden te verkorten en kosten voor grondstoffen te besparen.

ABS, PC, PMMA en POM: Veelgebruikte kunststoffen voor duurzame en precieze CNC-onderdelen

• ABS : Ideaal voor functionele prototypen en auto-onderdelen vanwege slagvastheid (-40 °C tot 80 °C bedrijfstemperatuur)
• Polycarbonaat (PC) : Gebruikt in transparante lucht- en ruimtevaartbehoudingen en veiligheidsschermen, met 250 keer de slagsterkte van glas
• PMMA (acryl) : Bewerkt tot optische lenzen en borden met 92% lichtdoorlatendheid, hoewel gevoelig voor krassen
• POM (Acetaal) : Biedt laag wrijvingsgedrag in tandwielen en lagers, waarbij toleranties van ±0,05 mm worden gehandhaafd onder belasting

Deze materialen vereisen gespecialiseerde toolpaths om smelten tijdens bewerking te voorkomen. Polycarbonaat moet bijvoorbeeld zonder koeling worden bewerkt bij 12.000–15.000 tpm om spanningsbarsten te voorkomen.

PA, PE, PBT en hoogwaardige kunststoffen zoals PEEK in CNC-toepassingen

Lucht- en ruimtevaartfabrikanten gebruiken steeds vaker PEEK voor CNC-gefreesde onderdelen van brandstofsysteem, ondanks kosten die 8 tot 10 keer hoger liggen dan aluminium. De UL94 V-0 ontvlambaarheidsclassificatie en een treksterkte van 15 GPa rechtvaardigen de investering in veiligheidskritieke toepassingen.

Elektrische en optische voordelen: Koper, Brons en Acryl in gespecialiseerde CNC-onderdelen

Niet-plastic materialen vervullen nichefuncties in CNC-processen:

• Koperlegeringen : Gebruikt voor EMI/RF-afschermingscomponenten met 95% IACS geleidbaarheid
• Fosforbrons : Gebruikt in CNC-gevormde elektrische connectoren (50–100 µΩ·cm weerstand)
• Gegoten Acryl : Precisie-gefreesd tot lichtgeleidingspanelen voor displays, met oppervlakteafwerking Ra <0,8 µm

Een studie uit 2023 toonde aan dat CNC-gefreesde acryloptische componenten de assemblagetijd in fotonicasystemen met 40% verminderen ten opzichte van geperste alternatieven, terwijl snelle ontwerpiteraties mogelijk blijven.

Strategische materiaalkeuze voor CNC-onderdelen: Prestaties, kosten en trends

Goed CNC-onderdeelontwerp begint echt pas wanneer we de juiste materialen kiezen die aansluiten bij hun toepassing in de praktijk. Neem bijvoorbeeld een hydraulische klephuis die op lange termijn bestand moet zijn tegen corrosie – veel ingenieurs kiezen dan voor roestvrij staal 316L, omdat dit materiaal zeer goed bestand is. Onderdelen binnen MRI-machines worden daarentegen meestal gemaakt van niet-magnetische titaniumlegeringen, omdat deze geen storing veroorzaken in de gevoelige apparatuur. Wanneer ontwerpers eerst denken aan de toepassing, verspillen ze minder materiaal en creëren ze producten met een langere levensduur. De cijfers ondersteunen dit ook: studies tonen aan dat een verkeerde materiaalkeuze uiteindelijk ongeveer 25% extra kosten kan opleveren voor het herstellen van fouten tijdens productieruns.

Hoe toepassingsvereisten de keuze van CNC-materiaal bepalen

Componenten voor medische implantaatmaterialen geven prioriteit aan biocompatibiliteit (Ti-6Al-4V) en sterilisatietolerantie, terwijl autoturboladers hoge temperatuurbestendigheid vereisen (Inconel 718). Ingenieurs gebruiken steeds vaker beslissingsmatrices die vergelijken op basis van vermoeiingssterktecycli, limieten voor chemische blootstelling en thermische uitzettingscoëfficiënten.

Balans tussen kosten, bewerkbaarheid en prestaties bij CNC-onderdelen

Lucht- en ruimtevaartfabrikanten worden geconfronteerd met het titaanparadox: hoewel de grondstof drie keer zo duur is als aluminium 7075, leidt de verhouding tussen sterkte en gewicht tot een brandstofbesparing van 12%. Multicriteria-analysetools evalueren momenteel de bewerkingstijd per legering, de frequentie van gereedschapswisseling en de eisen aan nabewerking.

Trend: toenemende adoptie van hybride materialen en composieten in CNC

Koolstofvezelversterkte PEEK-smeedingsmaterialen bereiken nu een stijfheid die 40% hoger is dan die van traditionele legeringen in robotgewrichten, terwijl ze toch geschikt blijven voor CNC-bewerking. De markt voor hybride materialen voor precisieonderdelen zal jaarlijks met 18% groeien tot 2030, gedreven door de behoefte aan aangepaste thermische geleidbaarheid, EMI-afschermingseisen en duurzaamheidsvoorschriften voor materialen.

Veelgestelde vragen

Waarom is aluminium een populaire materiaalkeuze voor CNC-bewerking?

Aluminium wordt bij CNC-bewerking verkozen vanwege de uitstekende verhouding tussen sterkte en gewicht, de natuurlijke corrosieweerstand en de veelzijdigheid, waardoor het geschikt is voor lucht- en ruimtevaart en auto-onderdelen.

Wat zijn de verschillen tussen de aluminiumlegeringen 6061 en 7075?

aluminium 6061 staat bekend om zijn uitstekende bewerkbaarheid en wordt gebruikt voor prototypen en algemene onderdelen, terwijl 7075 sterker is en daarom ideaal voor toepassingen onder hoge belasting, zoals componenten in de lucht- en ruimtevaart.

Hoe verhoudt staal zich tot aluminium in CNC-toepassingen?

Staal biedt een hogere treksterkte en duurzaamheid dan aluminium, waardoor het ideaal is voor omgevingen met hoge belasting. Aluminium is echter lichter en beter bestand tegen corrosie.

Welke voordelen biedt titaan voor CNC-bewerking?

Titaan biedt een hoog sterkte-gewichtsverhouding, waardoor het perfect is voor lucht- en ruimtevaart en medische toepassingen. Het biedt ook superieure biocompatibiliteit en corrosieweerstand.

Waarom worden kunststoffen gebruikt bij CNC-bewerking?

Kunststoffen worden gebruikt vanwege hun lichte gewicht, corrosiebestendigheid en elektrische isolatie-eigenschappen, waardoor ze ideaal zijn voor medische, automotive en elektronica-toepassingen.