Cetak Matri Dijelaskan: Presisi, Efisiensi, dan Manfaat Produksi

Dari blok mesin hingga genggam pintu, cetak matri adalah teknik produksi logam yang cepat, akurat, dan dapat diulang yang cocok untuk bagian besar atau kecil. Bagian cetak matri memiliki finishing permukaan yang sangat baik, dan proses ini kompatibel dengan berbagai logam non-ferrous.

Karena biaya awal yang tinggi yang terkait dengan cetak matri, proses ini biasanya digunakan untuk produksi volume tinggi, di mana skala manufaktur menanggung biaya mesin dan tooling yang tinggi. Prototipe cetak matri dan produksi volume rendah lebih sulit diperoleh, karena ada dalam kepentingan ekonomi perusahaan cetak matri untuk bekerja dengan pelanggan yang memesan secara massal. Namun, 3ERP saat ini menyediakan solusi cetak matri unik bagi pelanggan yang ingin memesan cetak matri volume kecil.

Artikel ini memeriksa secara mendalam cetak matri logam, menjelaskan bahan yang cocok, finishing permukaan, dan aplikasi untuk proses ini.

Apa itu cetak matri?

Cetak matri adalah jenis cetakan logam yang menggunakan tekanan tinggi untuk memaksa logam cair masuk ke dalam ruang cetakan yang dibentuk oleh dua die. Ini memiliki sifat yang sama dengan proses manufaktur plastik cetak injeksi.

Dalam lanskap cetakan logam yang lebih luas, cetak matri adalah salah satu teknik paling populer karena akurasinya, kualitas tinggi, dan tingkat detail. Kategori yang lebih luas dari cetakan logam, yang telah ada selama ribuan tahun, berisi banyak proses yang menggunakan cetakan untuk membentuk logam cair. Secara historis, proses seperti itu biasanya melibatkan tuangan logam cair ke dalam cetakan dengan bantuan gravitasi — dan banyak proses cetakan logam masih bekerja dengan cara ini. Cetak matri, namun, adalah bentuk cetakan logam yang relatif baru, diperkenalkan pada abad ke-19, dan itu menggunakan tekanan daripada gravitasi untuk mengisi ruang cetakan.

Cetak matri kadang disebut high-pressure die casting, karena jumlah tekanan — biasanya 10–140 megapascal — yang digunakan untuk memaksa logam masuk ke dalam ruang cetakan. Proses terkait low-pressure die casting (LPDC) kurang umum. Cetak matri biasanya jatuh ke dalam salah satu dari dua kategori: hot-chamber die casting dan cold-chamber die casting, yang cocok untuk jenis logam yang berbeda. Namun, ada juga jenis cetak matri lain yang lebih spesifik, seperti semi-solid metal casting (SSM).

Bagaimana cetak matri bekerja

Dalam hal sederhana, cetak matri logam bekerja dengan menggunakan tekanan tinggi untuk memaksa logam cair masuk ke dalam ruang cetakan, yang dibentuk oleh dua die baja yang keras. Setelah ruang terisi, logam cair mendingin dan mengeras, dan die terbuka sehingga bagian dapat dikeluarkan. Dalam prakteknya, namun, ada banyak langkah dalam proses, dan insinyur terampil diperlukan untuk mengoperasikan peralatan cetak matri.

Di sini kita akan membagi proses cetak matri menjadi tiga tahap:

1. Pembuatan cetakan
2. Pencetakan
3. Post-machining

Cara membuat cetakan cetak matri

Cetakan cetak matri terdiri dari setidaknya dua setengah: cover side (dipasang pada papan tetap) dan ejector side (pada papan yang dapat dipindah). Beberapa die juga memiliki bagian lain seperti slides dan cores, yang digunakan untuk memproduksi bagian yang lebih kompleks, seperti yang memiliki lubang dan thread.

Tergantung pada ukuran bagian yang diproduksi, cetakan cetak matri mungkin memiliki banyak cavitasi untuk memungkinkan produksi beberapa bagian per siklus. Cetakan tersebut atau memiliki banyak cavitasi yang identik (multi-cavity die) atau campuran cavitasi yang berbeda untuk memproduksi bagian yang berbeda (unit die).

Tooling untuk cetak matri harus sangat kuat dan tahan panas, selain memiliki resistensi aus dan ductility yang baik. Oleh karena itu, mereka terbuat dari tool steel berkinerja tinggi — sering kali dioleh panas — yang memungkinkan mereka untuk melalui ratusan siklus pencetakan per jam dan hingga dua juta siklus selama masa pakai mereka. Tooling cetak matri harus mempertahankan performa di bawah gaya clamping yang sangat tinggi.

Membuat cetakan cetak matri dimulai dengan computer-aided design (CAD) yang digunakan bersama dengan alat desain dan simulasi spesifik pencetakan. Sama seperti cetakan injeksi, tooling untuk cetak matri harus memiliki lubang sprue, runners, dan gates untuk memungkinkan bahan cair masuk ke dalam cavitasi. Locking pins dan ejector pins juga harus disertakan untuk mengamankan cetakan dan memfasilitasi ejection. Desain digital dari cetakan memungkinkan pembentukan bentuk yang kompleks dan toleransi sempit.

Pemesinan CNC banyak digunakan untuk memproduksi tooling cetak matri. Biasanya, pembuatan cetakan cetak matri dimulai dengan pemesinan kasar bentuk cetakan, diikuti oleh heat treatment pada cetakan logam, dan akhirnya satu ronde pemesinan finishing. Die grade prototipe juga dapat dibuat menggunakan rapid tooling, baik dengan pemesinan CNC atau proses lain seperti selective laser sintering (SLS).

Cara mencetak bagian logam

Sama seperti cetak injeksi, setelah pembuatan cetakan, bagian cetak matri dapat dibuat dalam mesin cetak matri. Proses cetak matri terdiri dari empat tahap utama: persiapan, pengisian, ejection, dan shakeout.

Namun, proses pencetakan sedikit berbeda tergantung pada apakah hot chamber atau cold chamber digunakan. Dua varian proses high-pressure die casting ini menawarkan keuntungan yang berbeda: satu baik untuk pencetakan berkecepatan tinggi, sementara yang lain menampung berbagai macam bahan cetakan yang lebih luas.

Hot chamber die casting

Selama hot chamber die casting, mesin cetak matri logam memiliki peralatan yang diperlukan untuk memanaskan logam hingga keadaan cair. Karena ini adalah sistem yang terpadu, ini jauh lebih cepat dari alternatifnya, menawarkan waktu siklus yang pendek, meskipun hanya cocok untuk pilihan bahan cetakan, termasuk alloy seng, timah, dan timbal.

Cold chamber die casting

Proses cold chamber die casting memerlukan penggunaan furnace terpisah untuk memanaskan logam. Ini secara alami memperlambat tingkat produksi, karena logam cair harus dibawa ke mesin cetak matri dengan ladle. Namun, karena furnace terpisah lebih powerful daripada hot chamber die casting machine, logam dengan titik leleh tinggi dapat dicetak. Metode ini cocok untuk pencetakan aluminium.

Terlepas dari apakah mesin hot chamber atau cold chamber digunakan, proses cetak matri logam biasanya berlangsung sebagai berikut:

1. Persiapan cetakan
2. Pengisian
3. Ejection
4. Shakeout

Selama persiapan cetakan, permukaan interior kedua setengah die dilapisi dengan pelumas untuk memfasilitasi ejection setelah pencetakan selesai. Dua setengah die kemudian dapat ditutup dan diamankan dengan locking pins.

Pengisian cetakan dicapai menggunakan sistem tekanan. Sistem ini berbeda antara sistem hot chamber dan cold chamber. Dalam keduanya, hasil akhirnya adalah logam cair yang dipaksa oleh plunger ke dalam ruang cetakan melalui sprue. Tekanan tinggi — hingga 35 megapascal dalam hot chamber dan 140 megapascal dalam cold chamber — memastikan pengisian yang cepat dan menyeluruh, yang berakibat pada pendinginan yang konsisten yang mencegah penyerapan yang tidak merata dan deformasi bagian yang berakibat. Tekanan dipertahankan selama pendinginan.

Dua setengah die dibuka dan ejector pins digunakan untuk mengeluarkan pencetakan. Biasanya, die kemudian segera ditutup kembali siap untuk shot berikutnya. Sementara itu, pencetakan yang selesai siap untuk shakeout, yang melibatkan penghapusan bagian scrap dari shot seperti sprues, runners, dan flash (sisa materi yang bocor di garis pemisahan). Penghapusan materi ini dapat dilakukan menggunakan alat manual, tumbling, atau dengan hydraulic trim die.

Post-machining

Banyak bagian cetak matri logam memerlukan operasi sekunder minimal. Ini disebabkan oleh tekanan tinggi yang terlibat, yang memungkinkan tingkat detail yang tinggi dan finishing permukaan yang baik. Namun, banyak pencetakan net-shape dan near-net-shape juga memerlukan pemesinan presisi untuk lubang, thread, dan fitur lainnya. Beberapa logam cetakan lebih mudah dipolesin dari yang lain: magnesium die casting dan aluminium die casting, misalnya, sangat cocok untuk post-machining.

Manfaat sekunder dari post-machining pencetakan adalah kemampuan untuk menggunakan kemampuan inspeksi on-machine dari mesin CNC, yang memungkinkan tukang mesin untuk memvalidasi bagian.

Aplikasi cetak matri

Cetak matri adalah proses yang powerful dan serbaguna yang cocok untuk berbagai bagian, dari komponen mesin hingga casing elektronik. Alasan keversatan cetak matri meliputi area bangunan yang luas, berbagai opsi bahan, dan kemampuan untuk membuat bagian yang detail, dapat diulang, dan dinding tipis.

• Otomotif: Aluminium die casting populer di industri otomotif karena dapat menghasilkan komponen ringan seperti silinder hidrolik, bracket mesin, dan casing gearbox. Zinc die casting cocok untuk komponen bahan bakar, rem, dan sistem pengarahan, sementara magnesium die casting bekerja untuk panel dan rangka kursi.
• Penerbangan: Seperti di industri otomotif, pemasok bagian penerbangan menggunakan aluminium die casting untuk membuat bagian ringan yang menunjukkan tingkat tahan panas dan korosi yang tinggi. Bagian ringan mengurangi penggunaan bahan bakar.
• Energi: Bagian cetak matri di sektor minyak dan gas meliputi klep, komponen filter, dan impeller. Bagian energi terbarukan seperti palang turbin angin juga dapat dicetak matri.
• Elektronik: Cetak matri prevalen di elektronik, karena digunakan untuk item seperti enclosure, casing, dan konektor. Bagian cetak matri juga dapat dirancang dengan heat sink yang terintegrasi, yang diperlukan untuk banyak perangkat. Magnesium die casting populer untuk komponen pelindung RFI EMI dinding tipis, sementara aluminium die casting untuk komponen LED sangat umum. (Cetak matri untuk casing LED biasanya menggunakan alloy seperti A383.)
• Konstruksi: Industri konstruksi menggunakan aluminium die casting untuk struktur besar seperti rangka bangunan dan rangka jendela.
• Teknik: Peralatan pengangkat, mesin bubut, dan peralatan lain sering mengandung komponen cetak matri.
• Medis: Dalam perawatan kesehatan, cetak matri dapat digunakan untuk komponen alat pemantau, sistem ultrasonografi, dan item lainnya.

Bahan cetak matri

Produsen harus mempertimbangkan faktor dan variabel tertentu saat memilih bahan cetak matri. Ini meliputi:

• Apakah bahan cocok untuk hot-chamber die casting
• Biaya bahan
• Biaya bahan tidak langsung (mis. post-proses tambahan yang diperlukan)
• Properti struktural bahan
• Kekuatan
• Bobot
• Finishing permukaan
• Kepolesinan

Semua faktor ini harus dipertimbangkan saat memilih bahan cetak matri untuk bagian atau prototipe.

Alloy aluminium cetak matri

Aluminium adalah salah satu logam cetak matri utama, dan alloy aluminium digunakan dalam cold-chamber die casting. Alloy ini biasanya mengandung silicon, tembaga, dan magnesium.

Alloy aluminium cetak matri ringan dan menawarkan stabilitas dimensi yang baik, menjadikannya pilihan yang baik untuk bagian kompleks dengan fitur halus. Keuntungan lain dari pencetakan aluminium meliputi resistensi korosi yang baik, resistensi suhu, dan konduktivitas termal dan listrik.

Alloy aluminium cetak matri umum meliputi:

• 380: Alloy aluminium serbaguna yang menyeimbangkan castability dengan properti mekanis yang baik. Digunakan dalam berbagai macam produk, termasuk bracket mesin, furnitur, enclosure elektronik, rangka, pegangan, casing gearbox, dan alat tenaga.
• 390: Alloy dengan resistensi aus yang sangat baik dan resistensi getaran. Dikembangkan khusus untuk cetak matri blok mesin otomotif dan juga cocok untuk badir klep, impeller, dan casing pompa.
• 413: Alloy aluminium dengan properti cetak yang sangat baik. Memiliki ketepatan tekanan yang baik dan oleh karena itu digunakan untuk produk seperti silinder hidrolik, serta bagian arsitektur dan peralatan industri makanan dan susu.
• 443: Alloy aluminium cetak matri yang paling ductile, alloy ini cocok untuk barang konsumen, terutama yang memerlukan bereformasi plastik setelah pencetakan.
• 518: Alloy aluminium ductile dengan resistensi korosi yang baik. Digunakan dalam berbagai produk, termasuk fitting hardware pesawat, hardware hiasan, dan komponen tangga roll.

Alloy magnesium cetak matri

Magnesium adalah bahan cetak matri yang sangat populer lainnya. Ini lebih ringan daripada aluminium, dengan keuntungan tambahan bahwa mudah dipolesin — menjadikannya cocok untuk bagian cetakan yang memerlukan detail pemesinan tambahan atau finishing permukaan pemesinan.

Keuntungan utama alloy magnesium cetak matri adalah kesesuaiannya untuk hot-chamber die casting, sehingga lebih mudah digunakan daripada logam cetak matri seperti aluminium. Elemen lain dalam alloy magnesium meliputi aluminium, seng, manganese, dan silicon.

Alloy magnesium cetak matri umum meliputi:

• AZ91D: Alloy serbaguna dengan castability yang baik, resistensi korosi, dan rasio kekuatan terhadap bobot. Aplikasi termasuk komponen mekanis dan powertrain.
• AM60: Alloy dengan castability yang baik, kekuatan, demam getaran, dan ductility. Digunakan dalam komponen otomotif seperti rangka kursi dan panel.
• Alloy tanah langka AS41B dan AE42: Alloy dengan resistensi suhu yang superior, serta resistensi kelelahan yang baik, resistensi korosi, dan ductility. Kedua alloy ditemukan di bagian mesin.

Alloy seng cetak matri

Kategori utama lainnya dari logam cetak matri adalah alloy seng. Dapat dicetak dalam mesin cetak matri hot-chamber, pencetakan seng adalah opsi cetak matri yang paling ramah produsen dan menawarkan manfaat lainnya seperti kekuatan bentukan, ductility, dan kesesuaian untuk plating. Karena castability-nya, ini juga mengakibatkan aus die yang minimal.

Seng lebih berat daripada aluminium dan magnesium dan biasanya dialloy dengan aluminium, tembaga, dan magnesium.

Alloy seng cetak matri umum meliputi:

• Zamak 3: Alloy seng serbaguna yang mudah dicetak dan menawarkan stabilitas dimensi yang sangat baik. Di Amerika Utara, lebih dari dua pertiga pencetakan seng menggunakan Zamak 3. Contoh penggunaan termasuk kipas langit-langit dan komponen plomberi.
• Zamak 2: Alloy sedikit lebih kuat dan lebih mahal dengan kandungan tembaga tambahan. Alloy pencetakan seng ini sering digunakan untuk memproduksi tooling untuk cetak injeksi plastik.
• Zamak 5: Alloy seng dengan komposisi yang mirip dengan Zamak 3 tetapi dengan kekuatan tarik yang lebih besar dan ductility yang lebih rendah. Populer untuk produk seperti bagian otomotif dan boban penyeimbang roda.

Alloy cetak matri lainnya

Bahan cetak matri lainnya meliputi tembaga, silicon tombac, timbal, dan timah alloy, di samping alloy zinc-aluminium.

Alloy tembaga menunjukkan kekuatan, kekerasan, dan resistensi korosi yang tinggi, di samping stabilitas dimensi yang sangat baik. Sementara alloy timbal dan timah sangat padat dan dapat tahan terhadap korosi. Alloy zinc-aluminium dapat dikenali dengan awalan ZA; yang dengan konten aluminium lebih rendah dapat dicetak hot-chamber, tetapi yang dengan 11% atau lebih biasanya tidak dapat.

Opsi finishing cetak matri

High-pressure die casting menghasilkan bagian dengan standar yang tinggi, dan opsi finishing seringkali dapat dipertahankan minimum. Namun, ada banyak opsi finishing fungsional dan kosmetik yang tersedia untuk bagian cetak matri.

Deburring

Prosedur finishing standar adalah deburring, yang dapat dianggap sebagai lanjutan dari tahap shakeout. Deburring melibatkan penghapusan ketidaksempurnaan yang disebabkan oleh proses manufaktur dan diterapkan untuk menormalisasi penampilan dan fungsi bagian tanpa menambahkan tekstur atau warna tertentu.

Opsi finishing sekunder

Setelah ketidaksempurnaan telah dihapus dari bagian cetak matri logam menggunakan proses deburring seperti sandblasting atau pengikisan manual, mungkin untuk melakukan opsi finishing sekunder untuk mengubah finishing permukaan pencetakan. Teknik finishing ini menyesuaikan tekstur atau warna bagian cetak matri.

Finishing sekunder cetak matri meliputi:

• Pengupolahan dengan alat manual untuk mencapai finishing bersinar tinggi
• Pengecatan untuk mengubah warna pencetakan
• Powder coating untuk mengubah warna dan tekstur pencetakan
• Metal plating untuk menambahkan lapisan permukaan dari bahan berbeda, baik untuk tujuan kosmetik atau fungsional (mis. plating komponen elektronik dengan logam yang lebih konduktif listrik).

Strategi untuk memilih produsen cetak matri

Cetak matri adalah proses manufaktur umum yang digunakan oleh berbagai perusahaan. Namun, menemukan produsen cetak matri jauh lebih sulit daripada menemukan, misalnya, tukang mesin atau penyedia layanan cetak 3D. Ini karena cetak matri biasanya digunakan oleh pemasok bagian besar untuk produksi volume tinggi.

Untuk perusahaan kecil dan menengah yang memerlukan bagian cetak matri logam, memilih produsen cetak matri menimbulkan tantangan. Biasanya, produsen di domain ini akan jatuh ke dalam salah satu dari empat kategori berikut:

1. Perusahaan cetak matri yang membuat cetakan cetak matri dan bagian cetak matri tetapi tidak menawarkan post-machining
2. Perusahaan cetak matri dengan beberapa mesin CNC tetapi yang menentukan waktu produksi yang jauh lebih lama untuk bagian post-machined karena kapasitas pemesinan yang terbatas
3. Perusahaan cetak matri dengan sejumlah besar mesin CNC untuk post-machining tetapi yang bekerja hampir esclusively dengan perusahaan besar yang memesan dalam jumlah besar
4. Perusahaan pemesinan CNC yang dapat melakukan post-machining bagian cetak matri tetapi yang tidak dapat sendiri membuat cetakan cetak matri atau bagian cetak matri

Jelas, ini membuat sulit bagi perusahaan kecil untuk menemukan mitra cetak matri. Jika post-machining diperlukan, perusahaan seperti itu sering menerima waktu produksi yang lebih lama yang ditawarkan oleh kategori kedua mitra cetak matri.

Namun, ada opsi lain: dengan bekerja sama dengan mitra cetak matri logam kecil atau menengah dan mitra pemesinan yang khusus seperti 3ERP — menggabungkan opsi 1 dan 4, secara efektif — perusahaan dapat memesan volume lebih kecil bagian cetak matri dengan post-machining dengan waktu produksi yang terlihat singkat.

Di 3ERP, kami memiliki sejumlah mitra cetak matri terpercaya dengan kami bekerja untuk memberikan layanan cetakan dan finishing yang lancar, menghasilkan bagian cetak berkualitas yang diproduksi dan dikirim dalam waktu yang singkat.

Panduan desain cetak matri

Seperti dengan sebagian besar proses manufaktur, high-pressure die casting datang dengan aturan dan batasan desainnya sendiri. Ini termasuk pertimbangan garis pemisahan, sudut tapering, dan batasan ketebalan dinding.

Garis pemisahan

Bagian cetak matri dibuat menggunakan dua die baja yang keras. Garis di mana kedua die bertemu disebut garis pemisahan, dan garis ini sering terlihat setelah pencetakan dalam bentuk flash — irisan tipis dari materi berlebih yang telah melarikan diri dari cavitasi di garis pemisahan karena gaya clamping yang tidak cukup.

Selama desain cetak matri, desainer harus menemukan lokasi yang sesuai untuk garis pemisahan, yaitu memutuskan di mana cetakan akan dibelah dua. Melakukan ini tergantung pada beberapa faktor, termasuk:

• Aliran logam: Inlet untuk aliran logam harus terletak di sepanjang garis pemisahan untuk memastikan pengisian yang optimal dari ruang cetakan.
• Fitur kosmetik: Fitur kosmetik tidak boleh terletak di dekat garis pemisahan, karena mereka mungkin terhalang oleh gates dan vents.
• Post-machining: Area garis pemisahan dari pencetakan kemungkinan besar akan memerlukan pemesinan dan finishing paling banyak, jadi harus terletak untuk memberikan akses mudah ke alat mesin.

Flash dalam jumlah kecil tidak dapat dihindari, jadi desainer harus menyiapkan kebutuhan untuk memotongnya setelah pencetakan dikeluarkan dari cetakan.

Ketebalan dinding

Seperti dengan proses cetakan dan cetakan lainnya, bagian cetak matri cocok dengan ketebalan dinding yang konsisten, karena ini mendorong pengisian dan pendinginan yang konsisten dari pencetakan logam, mengurangi kemungkinan penyerapan yang tidak merata dan warping.

Tapering

Bagian cetak matri logam memerlukan sedikit tapering — sisi cetakan yang runcing — sehingga pencetakan dapat dengan mudah dikeluarkan dari die tanpa merusaknya. Semua permukaan yang sejajar dengan arah pembukaan die memerlukan tapering.

Permukaan dalam seperti lubang yang tidak di-tap memerlukan sudut tapering yang lebih besar dari dinding eksternal (yang secara alami menyusut dari dalam cetakan).

Fillets dan radii

Fillets adalah sudut dalam yang bulat yang meningkatkan kapasitas penahan beban dari pencetakan cetak matri. Mereka juga lebih mudah diproduksi daripada sudut dalam yang tajam, jadi harus disertakan ke dalam desain cetak matri sebagai standar. Penggunaan radius yang sama di seluruh fillet lebih disukai daripada fillet dengan radius yang bervariasi.

Radii adalah sudut luar yang bulat dan berperan berbeda tetapi sama pentingnya, membantu untuk meningkatkan aluran logam di ruang cetakan.

Ribs

Ribs adalah proyeksi kecil dari bagian cetak matri yang bertujuan untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan tanpa meredam dinding yang lebih tebal dan penggunaan materi yang lebih banyak. Mereka juga meningkatkan aluran logam. Catat bahwa ribs memerlukan pertimbangan fillet dan radius sendiri untuk kekuatan dan aluran maksimal.

Dengan jaringan mitra manufaktur terpercaya kami, 3ERP menawarkan proses cetak matri yang komprehensif bahkan dalam volume rendah. Hubungi kami untuk penawaran gratis.