CNC-Bearbeitungsmaterialien: Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, geordnet nach Bearbeitbarkeit

Die Auswahl der Materialien ist der Punkt, an dem die meisten Kosten entschieden werden, aber selten ist es der Punkt, an dem die meisten technischen Aufmerksamkeiten gerichtet sind.Ein Team verbringt drei Wochen damit, ein CAD-Modell zu optimieren und 30 Minuten damit, das Material auszuwählen., dann frage ich mich, warum die Quote pro Teil um 60 Prozent höher als erwartet ist oder warum die erste Charge die Feldversuche versagt.

Das von Ihnen angegebene Material bestimmt, wie schnell die Maschine schneiden kann, wie viele Werkzeuge sie durchbrennt, wie lange die Montage dauert und wie sich das fertige Teil in seiner Serviceumgebung verhält.Wenn man es richtig macht, ist die Bearbeitung schnell.Wenn man es falsch macht, kann keine Menge an Programmieroptimierung oder Einbauschlauheit die Kosten ersetzen.

Dieser Leitfaden deckt alle wichtigen CNC-Bearbeitungsmaterialien für Metalle, Ingenieurkunststoffe und Speziallegierungen ab.und die Anwendungen, zu denen es wirklich gehörtAm Ende haben Sie einen klaren, datenbasierten Rahmen für die Auswahl des richtigen Materials vor dem Zitat, nicht danach.

Was bedeutet Maschinalisierbarkeit eigentlich, und warum erhöht sie die Kosten?

Bearbeitbarkeit ist die relative Leichtigkeit, mit der ein Material geschnitten werden kann, um ein maßgenaues Teil mit einer akzeptablen Oberflächenveredelung bei einer angemessenen Werkzeuglebensdauer und Schneidgeschwindigkeit herzustellen.Es handelt sich nicht um eine einzige Immobilie.Es ist das kombinierte Ergebnis der Härte, der Wärmeleitfähigkeit, des Spaltverhaltens, der Verhärtungstendenz und der Schleiffähigkeit eines Materials.

Warum bearbeitbarkeitsvorrichtungen direkt kosten: ein hoch bearbeitbarkeitsfähiges material wie aluminium 6061 ermöglicht schnittgeschwindigkeiten von 300 bis 600 m pro minute mit standard-karbidwerkzeugen,Produktion von Tausenden von Teilen pro Werkzeug vor dem AustauschEin Werkstoff mit geringer Bearbeitbarkeit wie Inconel 625 benötigt Schnittgeschwindigkeiten unter 30 m/min, verbraucht Werkzeuge mit einer 20- bis 50-fachen Geschwindigkeit und benötigt deutlich mehr Bearbeitungszeit pro Teil.Die gleiche Geometrie in Inconel kostet 8 bis 15 mal mehr zu maschinell als in Aluminium, noch bevor die Preisunterschiede zwischen den Rohstoffen berücksichtigt werden.

Die Bearbeitbarkeitswerte für Metalle werden in der Regel in Prozent gegenüber AISI 1112-Freibearbeitungsstahl ausgedrückt, dem eine Basis von 100 Prozent zugewiesen wird.Materialien über 100 sind leichter zu bearbeiten als dieser ReferenzstahlDie Referenzwerte der amerikanischen MaschinenbauerDer Name:Aluminiumlegierungen bei 300 bis 1.500 Prozent, Messing bei 200 Prozent, milder Stahl bei 65 Prozent, Edelstahl 304 bei 45 bis 50 Prozent, Titan der Klasse 5 bei 22 Prozent,und Inconel 625 bei 8 bis 12 ProzentDiese Zahlen sagen Ihnen, bevor ein einzelner Chip geschnitten wird, wie die Kosten des Teils im Verhältnis zu Ihrer Ausgangsmaterialwahl skalieren.

Wie unterscheiden sich die gängigsten CNC-Metalle in Bezug auf Bearbeitbarkeit, Festigkeit und Kosten?

In der nachfolgenden Tabelle sind die zwölf Metalle aufgeführt, die am häufigsten für die CNC-Bearbeitung spezifiziert werden.Die relativen Kosten sind auf Aluminium 6061-T6 als Basiswert 1 angewiesen..0x.

Die Kostenmultiplikatoren in der obigen Tabelle berücksichtigen den Rohstoffpreis, die Bearbeitungszeit (abhängig von Bearbeitungsfähigkeit und Schneidgeschwindigkeit) und den Werkzeugverbrauch.Ein Teil aus Titan der Klasse 5, der in Aluminium 2 Stunden zum Bearbeiten benötigt, kann in Titan 8 bis 12 Stunden mit einer deutlich höheren Werkzeugwechselfrequenz benötigenDieses Verhältnis, nicht der Rohstoffpreis allein, ist der Antrieb für die Kostendifferenz der Endteile.

Welches Metall sollten Sie für Ihr CNC-Teil wählen?

Aluminium 6061-T6: Die Standardwahl

Aluminium 6061-T6 ist das am weitesten verbreitete CNC-Bearbeitungsmaterial der Welt, und das aus gutem Grund.500 Prozent im Vergleich zum frei bearbeiteten Stahl bedeutet, dass Werkzeuge lange halten, sind die Zykluszeiten kurz, und Oberflächenabschlüsse von Ra 0,8 bis 1,6 μm sind ohne heroische Anstrengung erreichbar.Die Zugfestigkeit von 310 MPa und die Ausbeugfestigkeit von 276 MPa decken die Bauanforderungen der überwiegenden Mehrheit der Gehäuse ab, Halterungen, Gehäuse und Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbereich, in der Unterhaltungselektronik und in der Industrie.

Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 167 W/m·K ist es die erste Wahl für Wärmeabnehmer und Wärmeverwaltungskomponenten.und leicht schweißtWenn Sie keine spezifische Eigenschaft identifiziert haben, die 6061 nicht liefern kann, ist 6061 Ihr Material.

Aluminium 7075-T6: Wenn die Stärke steigen muss

Wenn 6061 nicht den Strukturanforderungen entspricht, ist 7075-T6 der nächste Anruf.fast doppelt so stark wie 6061 bei T6 TemperaturDies verschafft ihm eine dominierende Position in Luft- und Raumfahrt-Strukturbauteilen, Hochleistungs-Radrahmen und Verteidigungshardware, wo Gewicht die harte Einschränkung ist und Stärke nicht beeinträchtigt werden kann.

Die Kompromisse sind real. 7075 kostet 2,0 bis 3,0 mal mehr als 6061 allein als Rohstoff.Es ist aufgrund des Spannungskorrosions-Kreckens in Schweißwärmezonen für strukturelle Zwecke praktisch nicht schweißbarDie Korrosionsbeständigkeit ist geringer als bei 6061, wodurch eine Schutz-Anodierung oder -Bemalung in Außen- oder Meeresumgebungen erforderlich ist.7075 nur dann angeben, wenn die Leistungsfestigkeit für Ihre Anwendung tatsächlich die Grenze von 6061 ‰ 276 MPa übersteigtDie Instinktion, es auf Teile zu spezifizieren, die 6061 bequem handhabt, ist einer der häufigsten und teuersten Fehler bei der Materialwahl in der Präzisionsfertigung.

Edelstahl 304 gegen 316L: Die Umwelt entscheidet

Sowohl 304 als auch 316L sind austenitische Edelstahlen mit nahezu identischen mechanischen Eigenschaften: Zugfestigkeit von etwa 515 MPa, gute Zähigkeit bei kryogenen Temperaturen,und nichtmagnetisches Verhalten im gegossenen ZustandDer Unterschied zwischen ihnen besteht ausschließlich in der Korrosionsbeständigkeit, die durch den 2 bis 3%igen Molybdängehalt von 316L3 bewirkt wird.Dieses Molybdän erhöht die Schwellwiderstandsequivalenz (PRE) von 18 in 304 auf 26 in 316L, eine 44%ige Verbesserung der Resistenz gegen Chloridangriffe.

Verwenden Sie 304, wenn das Teil in Innenräumen oder in nichtchlorhaltigen Umgebungen betrieben wird: Küchengeräte, Innenarchitekturgeräte, Flüssigkeitsspeichertanks für nichtkorrosive Flüssigkeiten und allgemeine Industriehalterungen.Verwenden Sie 316L, wenn Chloride überall in der Betriebsumgebung vorhanden sind: Schiffsartikel, Medizinprodukte, die mit Salzlösungen oder Sterilisationschemikalien in Berührung kommen, chemische Verarbeitungsanlagen,und Küstenanlagen im FreienDie Rohstoffkosten für 316L liegen bei 30 bis 40 Prozent über 304.Da beide Sorten bei ähnlichen Geschwindigkeiten und bei etwa 45 bis 50 Prozent der freie Bearbeitungsgeschwindigkeit von Stahl gehärtet werden.

Titanium Ti-6Al-4V (Klasse 5): Leistung zu einem Preis

Bei 900 MPa Zugfestigkeit und einer Dichte von 4,43 g/cm3 erhält Titan der Klasse 5 eine spezifische Festigkeit (Festigkeit geteilt durch Dichte), die keinem anderen meist bearbeiteten Metall entspricht.Es erreicht die Strukturleistung vieler Stähle bei 45 Prozent des GewichtsIn Kombination mit der Korrosionsbeständigkeit, die Titan in Meerwasser, konzentrierter Stickstoffsäure und biologischen Umgebungen ohne Oberflächenbehandlung aufrechterhält,es ist die obligatorische Wahl für permanente medizinische Implantate, Luft- und Raumfahrtkonstruktionsbauteile mit kritischem Gewicht und Hochleistungsmotorsportteile.

Die Bearbeitungskosten sind nicht unerheblich. Ti-6Al-4V-Maschinen mit einer relativen Geschwindigkeit von 22 Prozent der freie Bearbeitung von Stahl benötigen eine langsame Schneidgeschwindigkeit (typischerweise 30 bis 60 Meter pro Minute).Erzeugt an der Schnittstelle Werkzeug-Chips erhebliche Wärme, die mit aggressiven Kühlmittelstrategien bewältigt werden mussEin Teil, der 50 USD für die Maschine in 6061 Aluminium kostet, kann 300 USD bis 600 USD oder mehr in Titan-Klasse 5 kosten.Diese Prämie ist gerechtfertigt, wenn der Antrag sie wirklich erfordertEs ist ungerechtfertigt und üblich, wenn Ingenieure nicht nur aus Notwendigkeit, sondern auch aus Prestige Titans verwenden.Die Angaben sind zu entnehmen..

Inconel 625 und 718: Nur für extreme Umgebungen

Inkonellegierungen sind Nickel-Chrom-Superlegierungen, die ihre mechanischen Eigenschaften bei Temperaturen beibehalten, bei denen Aluminium geschmolzen und Stahl weich geworden ist.Inconel 625 hält bis zu 980 Grad Celsius an NützlichkeitInkonel 718, mit seinem höheren Gehalt an Aluminium und Titan, erreicht eine Zugfestigkeit von mehr als 1.375 MPa nach einer Wärmebehandlung bei hoher Temperaturen.Diese Eigenschaften machen sie zur einzigen tragfähigen Wahl für die Komponenten der Gasturbinen, Jetmotorscheiben, Raketenmotordüsen und Öl- und Gasanlagen unter Wasser, bei denen Druck, Temperatur und Korrosion kombiniert werden.

Inkonel 625-Maschinen mit 8 bis 12 Prozent der Freimachanlage von Stahl benötigen hochwertige Karbid- oder Keramikwerkzeuge und benötigen ständig Hochwasseraufkühlmittel.Die Bearbeitungskosten im Verhältnis zu Aluminium sind für 625 12 bis 20 mal höher und für 718 15 bis 25 mal höherDiese Materialien gehören zu den Konstruktionen, bei denen keine andere Legierung den Gebrauchszustand übersteht, und nicht zu den Konstruktionen, bei denen ein billigeres Material die Spezifikation erfüllen kann.

Wie unterscheiden sich Kunststoffe aus dem Maschinenbau von CNC-Bearbeitungsmaterialien?

Technische Kunststoffe sind zu einer wichtigen Kategorie in der Präzisions-CNC-Bearbeitung geworden.ChemikalienbeständigkeitDie mechanischen Eigenschaften von Aluminium sind in der Regel hervorragend, aber sie stellen andere Herausforderungen als Metalle dar:Aufbau von Wärme durch schlechte Wärmeleitfähigkeit, Oberflächenschmelzen bei hohen Schneidgeschwindigkeiten, Dimensionsinstabilität durch Feuchtigkeitsabsorption und Probleme mit der Splitterkontrolle in einigen Sorten.

Delrin (POM): Der Präzisionskunststoff

Delrin, die Handelsbezeichnung für Polyoxymethylen (POM) Acetall, ist das, was einem Standard-Technik-Kunststoff für die Präzisions-CNC-Bearbeitung am nächsten kommt.niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, minimale Feuchtigkeitsabsorption und saubere Splitterbildung, die Toleranzen von 0,05 mm oder besser bei bearbeiteten Merkmalen ermöglicht.Der geringe Reibungskoeffizient und die hervorragende Verschleißfestigkeit machen ihn zur Standardwahl für PräzisionsräderDie Kosten sind moderat und die Bearbeitung ist schnell.Für jede Anwendung, bei der ein technischen Kunststoff geeignet ist, evaluieren Sie Delrin zuerst.

PEEK: Die Hochleistungswahl

PEEK (Polyether-Ether-Keton) befindet sich an der Spitze der Engineering-Kunststoffhierarchie.Sie kombiniert eine Zugfestigkeit von 100 MPa mit Dauerbetriebstemperaturen von bis zu 250 °C und chemischer Beständigkeit gegen nahezu alle industriellen LösungsmittelBei der Herstellung von medizinischen Geräten ist die Radiolüsenz von PEEK (sie erscheint nicht auf Röntgenstrahlen), bei der Herstellung von Medizinprodukten ist die Spezifische Festigkeit von PEEK in einigen Richtungen mit der von Aluminium konkurriert.Biokompatibilität, und die Fähigkeit, wiederholt ohne Abbau sterilisiert zu werden, machen es zum Standardmaterial für Wirbelsäulenimplantate, Knochenplatten und chirurgische Instrumententeile.Die Materialkosten sind 10 bis 20 Mal so hoch wie bei Delrin., und die Bearbeitung erfordert scharfe Werkzeuge, konservative Einspeisungen zur Verhinderung der Wärmeansammlung und eine sorgfältige Befestigungsanordnung, um Verzerrungen von Teilen zu vermeiden.PEEK nur dann angeben, wenn die Anwendung ihre Leistungsmerkmale wirklich benötigtWenn es das tut, gibt es keine anderen machbaren Plastikersatzstoffe dafür.

Wie wählen Sie das richtige CNC-Bearbeitungsmaterial für Ihren Teil aus?

Die Auswahl der Materialien folgt einer Hierarchie von Einschränkungen, die in der folgenden Reihenfolge ausgearbeitet werden: Funktion zuerst, dann Umwelt, dann Toleranz und Veredelungsanforderungen, dann Verarbeitbarkeit und Kosten.Die Umkehrung dieser Reihenfolge führt dazu, dass Teams mit überentwickelten oder unterdurchschnittlichen Teilen enden..

• Schritt 1: Definieren Sie die mechanischen Anforderungen: Zugfestigkeit, Leistungsfestigkeit, Müdigkeitsgrenze, Stoßfestigkeit.Umzug auf 7075Sie müssen nicht auf Titan springen, weil ein Teil “strukturell“ ist.
• Schritt 2: Definition der Umgebung: Temperaturbereich, ätzende Medien, UV-Exposition, Luftfeuchtigkeit und elektrische Anforderungen.Wenn Chloride vorliegenWenn das Teil für eine dauerhafte Implantation biokompatibel sein muss, sind Titanium-Klasse 5 oder PEEK Ihre Kandidaten.
• Schritt 3: Definieren Sie die Toleranz und die Oberflächenveredelungsanforderungen.Materialien wie PEEK und Inconel erfordern eine sorgfältigere Prozesskontrolle, um das gleiche Toleranzniveau zu erreichenWenn die Toleranz 0,005 mm über mehrere Flächen beträgt, muss das Material unter Bearbeitungskräften und Temperaturen dimensionell stabil sein.
• Schritt 4: Optimieren Sie die Verarbeitbarkeit innerhalb Ihrer Einschränkungen.Der mit der höheren Bearbeitungsfähigkeit produziert niedrigere Kosten pro TeilDas ist kein Kompromiss, sondern eine technische Disziplin.
• Schritt 5: Bitte um eine Überprüfung der DFM vor der Fertigstellung. A 30-minute DFM conversation with Elite Mold Tech’s engineering team before the drawing is released can identify material substitutions that reduce cost by 20 to 40 percent without sacrificing any required performance property.

Verwandte Leitfäden und Quellen für Elite-Formtechnik

Verwandte Leitfäden: vollständiger Leitfaden für die Auswahl des Herstellungsprozesses, Erläuterung der CNC-Bearbeitungs Toleranzen, CNC-Bearbeitungsdienstleistungen.

Zuverlässige Referenzen: ASM Internationale Materialdaten, ASTM Internationale Materialnormen.

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Häufig gestellte Fragen

Warum ist Aluminium 6061 das am häufigsten verwendete CNC-Bearbeitungsmaterial, wenn stärkere Optionen verfügbar sind?

Aluminium 6061-T6 dominiert die CNC-Bearbeitung, weil es die beste Kombination aus Bearbeitbarkeit, mechanischer Leistung, Korrosionsbeständigkeit,und Kosten für die breiteste Palette von industriellen AnwendungenDie Bearbeitungsfähigkeit von 1500% im Vergleich zum frei bearbeiteten Stahl bedeutet, daß die Maschinen schnell laufen, die Werkzeuge lange halten und die Zykluszeiten kurz bleiben.Die Zugfestigkeit von 310 MPa und die Ausfallfestigkeit von 276 MPa decken die strukturellen Anforderungen von Gehäusen ab., Halterungen, Gehäuse, Wärmeabnehmer und Strukturbauteile für Luftfahrt, Automobil, Elektronik und Konsumgüter.Die Tatsache, dass es stärkere Optionen gibt, macht sie nicht zu besseren Optionen, es sei denn, die Last übersteigt wirklich, was 6061 verarbeiten kann.Die Bestimmung von 7075 oder Titan für Teile, die 6061 bequem transportieren kann, ist eine der zuverlässigsten Möglichkeiten, Ihre Kosten pro Teil ohne funktionalen Nutzen zu verdoppeln oder zu verdreifachen.

Was ist der Unterschied zwischen 304 und 316L Edelstahl für CNC-bearbeitete Teile?

Die mechanischen Eigenschaften von 304 und 316L Edelstahl sind nahezu identisch: Beide haben eine Zugfestigkeit von etwa 515 MPa, beide werden mit einer Geschwindigkeit von ca. 45 Prozent der freie Bearbeitung von Stahl bearbeitet,und beide sind im gegossenen Zustand nicht magnetischDer einzige bedeutende Unterschied ist die Korrosionsbeständigkeit in Chloridumgebungen.die ihre Schwellwiderstandsequivalentzahl von 18 (304) auf 26 (316L) erhöhtBei der Verwendung von Chloriden wird die Beständigkeit gegenüber Korrosion durch Gruben und Spalten um 44 Prozent verbessert.Anwendungen von Medizinprodukten, bei denen Sterilisationschemikalien mit dem Teil in Berührung kommenDie Rohstoffpreisprämie für 316L gegenüber 304 beträgt etwa 30 bis 40 Prozent.Da die Bearbeitungskosten nahezu identisch sind, beträgt die Gesamtkostenprämie in der Regel 15 bis 25 Prozent.

Wann ist PEEK der richtige Kunststoff für ein CNC-bearbeitetes Teil, und wann ist es zu viel?

PEEK ist das richtige Material, wenn ein Kunststoff gleichzeitig hohen mechanischen Belastungen, erhöhten Dauerbetriebstemperaturen über 150 Grad Celsius,Exposition gegenüber aggressiven Chemikalien oder Sterilisationsmitteln, und Anforderungen an die Biokompatibilität für medizinische Anwendungen oder Anwendungen in Kontakt mit Lebensmitteln.Die hohe Wirksamkeit von Delrin und die hohe Widerstandsfähigkeit gegen nahezu alle industriellen Lösungsmittel und Sterilisationszyklen rechtfertigen seinen 10 bis 20-fachen Vorteil gegenüber Delrin in Anwendungen, in denen diese Eigenschaften wirklich erforderlich sind.PEEK ist übertrieben, wenn ein Teil bei Raumtemperatur in einer nicht korrosiven Umgebung unter moderaten mechanischen Belastungen arbeitet.Delrin oder Polykarbonat bietet gleichwertige Abmessungen bei 5 bis 10 Prozent der MaterialkostenDie häufigste PEEK-Überspezifizierung tritt bei Komponenten von Medizinprodukten auf, die biokompatibel sein müssen, aber niemals erhöhten Temperaturen oder aggressiver chemischer Exposition ausgesetzt sind.Bei der UHMW-PE oder Delrin für einen Bruchteil der Kosten identisch funktionieren würden.

Warum kostet die Bearbeitung von Titan so viel mehr als die Bearbeitung von Aluminium?

Der Kostenunterschied zwischen der Bearbeitung von Titan und Aluminium besteht aus drei Quellen: Schneidgeschwindigkeit, Werkzeuglebensdauer und Rohstoffpreis.Maschinen mit Schnittgeschwindigkeit von 30 bis 60 Metern pro Minute aus Titan Ti-6Al-4VAluminium 6061 Maschinen mit 300 bis 600 Metern pro Minute. Dieser 10-zu-1-Geschwindigkeitsunterschied allein bedeutet, dass Titan 10 mal länger braucht, um die gleiche Geometrie zu bearbeiten.Titanium erzeugt an der Schnittstelle Werkzeug-Chips erhebliche WärmeDie Preise für die Rohstoffe erhöhen sich um ein weiteres 5- bis 8-faches gegenüber dem Aluminium.Wenn Sie längere Zykluszeiten kombinierenDa der Werkzeugverbrauch schneller ist und die Materialkosten höher sind, kostet ein Titanteil, das 50 USD in Aluminium 6061 kosten würde, typischerweise 300 bis 600 USD oder mehr.Diese Prämie ist in Anwendungen, für die die spezifische Festigkeit von Titan erforderlich ist, vollständig gerechtfertigtEs ist in Anwendungen, in denen ein günstigeres Material die Spezifikation erfüllt, völlig ungerechtfertigt.

Können technische Kunststoffe Metalle in CNC-bearbeiteten Bauteilen ersetzen?

In spezifischen Anwendungen ja, aber der Ersatz erfordert eine sorgfältige Konstruktion und nicht eine allgemeine Annahme, dass Kunststoffe leichter und billiger sind.PEEK bei 100 MPa Zugfestigkeit kann Aluminium 6061 in Belastungsfällen ersetzen, in denen Aluminium ̇s 310 MPa übermäßig konstruiert wäre, insbesondere wenn eine Gewichtsreduktion über die Leistungsfähigkeit von Aluminium hinaus erforderlich ist und die Teilegeometrie größere Querschnitte zulässt.Delrin (POM) ist ein wirksamer Ersatz für Messing oder Aluminium in Buschen, Zahnräder und Schiebetelemente, bei denen durch Kontakt von Metall zu Metall Lärm, Verschleiß oder Ärger entstehen.Polycarbonatersatzstoffe für Glas in transparenten Schutzdeckeln und optischen Schutzschildern, bei denen die Stoßfestigkeit wichtig istWas Kunststoffe nicht ersetzen können, ist die Kombination aus hoher Festigkeit, Steifigkeit (Elastischkeitsmodul),und thermische Stabilität, die Stahl und Titan in belastbaren Strukturbauteilen bietenDer Elastizitätsmodul von PEEK beträgt etwa 3,6 GPa.Ein PEEK-Teil, das die gleichen Abbiegungsanforderungen wie ein Aluminiumteil erfüllt, benötigt ungefähr das 19-fache der Querschnittsfläche, um eine gleichwertige Steifigkeit zu erreichen, was den Ersatz für dünnwandige Strukturanwendungen in der Regel unpraktisch macht.