Vật liệu cho gia công vi mô: thép không gỉ, titan, đồng thau, PEEK và hơn nữa
Một chi tiết vi mô thường nặng chưa tới một gam, nên chi phí vật liệu hầu như không đáng kể trong báo giá. Tuy vậy, lựa chọn vật liệu quyết định chi tiết có thể nhỏ đến đâu, dung sai chặt đến mức nào là thực tế, cần làm sạch ba via bao nhiêu và bao nhiêu dao bị gãy. Cẩm nang này so sánh các kim loại và nhựa thường dùng nhất cho chi tiết gia công vi mô và cho thấy mỗi loại có ý nghĩa gì với dung sai và chi phí. Về phía quy trình, xem cẩm nang về kích thước chi tiết và dung sai trong phay và tiện vi mô.
Vì sao vật liệu quan trọng hơn ở quy mô vi mô
Ba tính chất chi phối khi chi tiết nhỏ hơn 1 mm.
- Hình thành phoi. Vật liệu bẻ phoi gọn, như đồng thau cắt gọt hoặc thép không gỉ 303, cho phép dao nhỏ cắt tự do. Vật liệu dính, như 316L hoặc đồng nguyên chất, quấn phoi quanh dao và bị bôi trét.
- Hình thành ba via. Vật liệu dẻo đẩy kim loại đi trước dao và để lại ba via ở mọi lối thoát. Trên lỗ ngang 0.3 mm, một ba via 20 μm có thể bịt lỗ.
- Độ cứng và ổn định. Kim loại giữ hình dạng dưới lực kẹp và lực cắt. Nhựa biến dạng, chảy dão và đổi kích thước theo nhiệt độ và độ ẩm.
Vì vậy cùng một bản vẽ có thể là việc thường lệ với đồng thau nhưng khó với titan.
Kim loại cho gia công vi mô
| Vật liệu | Mác thông dụng | Khả năng gia công vi mô | Ba via | Dung sai thông thường trên chi tiết chọn lọc | Ứng dụng thông thường |
|---|---|---|---|---|---|
| Đồng thau cắt gọt | C36000 (CuZn36Pb3) | Xuất sắc | Thấp | ±0.005 mm | Đầu nối, chi tiết đồng hồ, chân dụng cụ |
| Đồng | C11000, C10100 | Kém, dính | Cao | ±0.01 mm | Điện cực, chi tiết RF, tản nhiệt |
| Thép không gỉ, cắt gọt dễ | 303 | Tốt | Trung bình | ±0.005 mm | Chốt, phụ kiện, chi tiết thông thường |
| Thép không gỉ, austenit | 304, 316, 316L | Trung bình | Cao | ±0.005 đến ±0.01 mm | Chi tiết y tế, thực phẩm, vi lưu |
| Titan | Grade 2, Grade 5 (Ti-6Al-4V) | Trung bình, nhiệt và mòn | Trung bình | ±0.005 đến ±0.01 mm | Implant, nha khoa, hàng không |
| Nhôm | 6061-T6, 7075-T6 | Tốt | Trung bình đến cao | ±0.005 mm | Vỏ bán dẫn và quang học |
| Thép dụng cụ | D2, H13, SKD11 | Trung bình khi ủ, cứng khi đã tôi | Thấp | ±0.005 mm, mài để chặt hơn | Lõi khuôn, chày, chi tiết mòn |
Xếp hạng và dung sai là kinh nghiệm thông thường tại xưởng cho chi tiết nhỏ, không phải thông số kỹ thuật.
Đồng thau và đồng
Đồng thau C36000 là mốc tham chiếu cho khả năng gia công. Đây là vật liệu nên chọn nếu chức năng cho phép, vì mọi kim loại khác đều được so với nó. Đồng thì ngược lại. Đồng nguyên chất mềm và dính, bám vào dao và tạo nhiều ba via. Ở nơi độ dẫn điện cho phép, đồng telua (C14500) gia công tốt hơn nhiều.
Thép không gỉ
303 chứa lưu huỳnh, tạo ra các tạp chất bẻ phoi. Đây là loại thép không gỉ dễ gia công vi mô nhất nhưng chống ăn mòn kém hơn và thường không được chấp nhận cho implant. 316L là tiêu chuẩn cho chi tiết y tế, thường theo ASTM F138 cho implant. Nó khắc nghiệt hơn với dao và cần làm sạch ba via cẩn thận. 17-4 PH được dùng khi cần độ bền và gia công khá ở trạng thái H900 hoặc H1025.
Titan
Ti-6Al-4V, còn gọi là Grade 5, là lựa chọn phổ biến cho implant và chi tiết nhỏ cường độ cao, với biến thể ELI theo ASTM F136 cho cấp implant. Titan dẫn nhiệt kém, nên nhiệt dồn ở lưỡi cắt và làm mòn dao nhỏ nhanh. Xưởng chạy tốc độ cắt thấp hơn và thay dao thường xuyên hơn, thể hiện ra trong thời gian chu kỳ. Grade 2, titan tinh khiết thương mại, mềm và dính hơn và nhiều ba via hơn.
Nhôm
6061-T6 và 7075-T6 cắt nhanh và giữ kích thước tốt, khiến nhôm được ưa chuộng cho vỏ bán dẫn, quang học và điện tử. Vấn đề chính ở quy mô vi mô là ba via trên cạnh mỏng và độ mềm khi thao tác chi tiết hoàn chỉnh. Anod hóa thêm vài micron mỗi bề mặt, nên các chi tiết chặt cần chừa dung sai trên bản vẽ.
Thép dụng cụ
D2, H13 và SKD11 được gia công khi đã ủ rồi tôi cứng, hoặc gia công cứng với dụng cụ đặc biệt. Tôi cứng có thể làm biến dạng các chi tiết vi mô mỏng. Với dung sai chặt nhất trên chi tiết đã tôi, xưởng hoàn thiện bằng mài, EDM cắt dây hoặc phay cứng.
Nhựa cho gia công vi mô
| Nhựa | Độ ổn định | Dung sai thông thường trên chi tiết nhỏ | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| PEEK | Tốt nhất trong nhóm | ±0.01 mm, ±0.005 mm chọn lọc | Có mác tương thích sinh học, chịu nhiệt cao, ưu tiên phôi đã ủ |
| POM (acetal, Delrin) | Tốt | ±0.01 đến ±0.02 mm | Gia công gọn, ma sát thấp |
| PTFE | Kém, chảy dão | ±0.02 đến ±0.05 mm | Mềm, dịch chuyển khi kẹp và theo nhiệt độ |
| PEI (Ultem) | Tốt | ±0.01 mm | Cứng, vô định hình, tốt cho chi tiết cách điện |
| PMMA | Trung bình | ±0.02 mm | Chi tiết quang học, dễ nứt trên chi tiết nhỏ |
Giá trị thông thường cho chi tiết nhỏ, không phải cam kết.
Nhựa giãn nở theo nhiệt độ nhiều hơn kim loại rất nhiều, gấp khoảng 5 đến 10 lần thép. Một chi tiết PTFE đo ở 25 °C có thể vượt dung sai ở 20 °C. Nhựa cũng giãn ứng suất sau gia công khi ứng suất bên trong được giải phóng. Thực hành tốt là dùng phôi đã ủ, gia công theo giai đoạn và đo sau khi chi tiết đã ổn định.
Các vật liệu ít phổ biến hơn
Một số chi tiết vi mô đòi hỏi vật liệu ngoài danh sách thông thường. Chúng gia công được ở quy mô nhỏ, nhưng ít xưởng có kinh nghiệm, nên làm hẹp lựa chọn nhà cung cấp.
- Nitinol (niken titan). Dùng cho thiết bị y tế nhờ siêu đàn hồi và nhớ hình dạng. Nó bị biến cứng nhanh, mòn dao nhanh và thường được cắt bằng laser hoặc EDM cắt dây thay vì phay. Nhiệt đầu vào có thể đổi nhiệt độ chuyển pha, nên xưởng cần kiểm soát.
- Kim loại quý. Vàng, bạch kim và hợp kim bạch kim-iridi xuất hiện trong điện cực y tế, đầu nối và chi tiết đồng hồ. Chúng mềm và dính, và chi phí vật liệu trở nên đáng kể. Xưởng thường tính phoi và phần thừa riêng, vì chúng có giá trị phế liệu.
- Vonfram và hợp kim vonfram. Đặc và cứng, dùng cho chắn bức xạ, quả cân và điện cực. Gia công được bằng dao cacbit ở tốc độ thấp, và thường hoàn thiện bằng mài hoặc EDM.
- Đồng berili. Dùng cho lò xo và tiếp điểm. Gia công tốt, nhưng bụi và phoi là mối nguy cho sức khỏe, nên chỉ xưởng có biện pháp kiểm soát phù hợp mới xử lý.
- Gốm và thủy tinh. Alumina, zirconia và thạch anh nóng chảy thường không được cắt như kim loại. Chúng được mài, lapping, gia công laser hoặc gia công ở trạng thái thô trước khi thiêu kết. Hãy coi đó là chuỗi cung ứng khác với gia công CNC vi mô.
| Vật liệu | Quy trình thông thường | Nhóm nhà cung cấp |
|---|---|---|
| Nitinol | Cắt laser, EDM cắt dây, phay cẩn thận | Chuyên sâu |
| Bạch kim-iridi, vàng | Tiện kiểu Swiss, phay vi mô | Chuyên sâu, quy tắc xử lý vật liệu |
| Hợp kim vonfram | Tiện và phay tốc độ thấp, mài | Vừa phải |
| Đồng berili | Tiện kiểu Swiss, phay có kiểm soát bụi | Bị giới hạn bởi yêu cầu an toàn |
| Alumina, zirconia | Mài, gia công trạng thái thô, laser | Nhà cung cấp gốm riêng |
Thực hành thông thường để tham khảo.
Nếu chi tiết của bạn dùng một trong các vật liệu này, hãy nói ngay ở dòng đầu của RFQ. Điều đó loại bỏ phần lớn các xưởng vốn sẽ báo giá rồi từ chối.
Khớp vật liệu với dung sai và chi phí
Một cách hữu ích để nghĩ về vật liệu là một hệ số tổng hợp cho thời gian chu kỳ, mòn dao và công làm sạch ba via.
| Vật liệu | Công gia công tương đối (đồng thau = 1.0) |
|---|---|
| Đồng thau C36000 | 1.0 |
| Nhôm 6061 | 1.1 đến 1.3 |
| Thép không gỉ 303 | 1.5 đến 2 |
| POM | 1.2 đến 1.5 |
| PEEK | 1.5 đến 2 |
| Thép không gỉ 316L | 2 đến 3 |
| Titan Grade 5 | 2.5 đến 4 |
| Thép dụng cụ đã tôi | 3 đến 5 |
Tỷ lệ minh họa cho chi tiết nhỏ, không phải bảng giá. Chi phí thực tế phụ thuộc vào hình học, dung sai và số lượng.
Ví dụ giả định: một chốt cảm biến được thiết kế bằng 316L theo thói quen. Chức năng chỉ cần chống ăn mòn vừa phải và không tiếp xúc cơ thể. Chuyển sang 303 giảm công gia công và làm sạch ba via đáng kể, mà vẫn giữ đường kính ở ±0.005 mm. Với implant, việc chuyển đổi tương tự không được phép, và chi phí thêm của 316L theo ASTM F138 đơn giản là một phần của sản phẩm.
Cách chỉ định vật liệu trong RFQ
- Mác và tiêu chuẩn. “Ti-6Al-4V ELI theo ASTM F136”, không phải “titan”.
- Trạng thái. Đã ủ, T6, H900, tôi cứng đến HRC đã nêu sau khi gia công.
- Dạng. Thanh mài, thanh kéo, tấm hoặc thanh tròn, cùng dung sai đường kính cần thiết cho công việc tiện Swiss.
- Chứng chỉ. Chứng chỉ nhà máy truy xuất được đến mẻ hoặc lô, thường bắt buộc cho y tế và hàng không.
- Nguồn được duyệt. Nếu hệ thống chất lượng của bạn yêu cầu nhà máy hoặc nhà phân phối cụ thể, hãy nói ngay từ đầu.
- Hoàn thiện. Thụ động hóa, anod hóa, đánh bóng điện hóa hoặc lớp phủ, kèm dung sai độ dày.
Cẩm nang gia công vi mô cho bên mua giải thích vật liệu nằm ở đâu trong một RFQ hoàn chỉnh, và cẩm nang về đo chi tiết vi mô nêu lý do nhựa cần chăm sóc thêm khi kiểm tra.
Bước tiếp theo
Các mác và dung sai thông thường được tóm tắt trên tài liệu tham khảo dung sai và vật liệu. Khi bạn biết vật liệu và dung sai chặt nhất, hãy gửi RFQ. Micropartz kết nối với tối đa 3 xưởng đã gia công vật liệu đó ở quy mô vi mô và phản hồi trong vòng 24 giờ làm việc.
Câu hỏi thường gặp
Kim loại nào dễ gia công vi mô nhất?
Đồng thau cắt gọt C36000. Nó tạo phoi ngắn, cắt gọn với dao nhỏ và để lại ít ba via. Đây là vật liệu chuẩn cho xếp hạng khả năng gia công, và là vật liệu truyền thống cho chi tiết đồng hồ và dụng cụ.
316L có khó gia công vi mô hơn 303 không?
Có. 303 chứa lưu huỳnh để bẻ phoi và được xếp loại cắt gọt dễ. 316L dính, bị biến cứng khi gia công và tạo ba via, đặc biệt ở lỗ ngang. Nó được chọn vì chống ăn mòn và tương thích sinh học, không phải vì khả năng gia công, nên hãy chờ đợi giá mỗi chi tiết cao hơn.
PEEK có giữ được ±0.01 mm trên chi tiết nhỏ không?
Thường là có trên một số chi tiết chọn lọc, nếu chi tiết dùng phôi đã khử ứng suất hoặc ủ, được kẹp nhẹ nhàng và đo ở nhiệt độ ổn định. PEEK ổn định về kích thước nhất trong các loại nhựa kỹ thuật thông dụng, nhưng vẫn dịch chuyển theo nhiệt độ và độ ẩm nhiều hơn kim loại.
Vì sao xưởng hỏi về dung sai phôi thanh?
Máy tiện Swiss cần phôi thanh vừa khít với ống dẫn hướng, thường là mài không tâm đến h6 hoặc h7. Nếu vật liệu của bạn chỉ có dạng thanh kéo, xưởng có thể phải mài trước hoặc dùng quy trình khác.
Đối chiếu với
- ASTM F138, Wrought 18Cr-14Ni-2.5Mo Stainless Steel Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S31673)
- ASTM F136, Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI Alloy for Surgical Implant Applications
- ASTM B16, Free-Cutting Brass Rod, Bar and Shapes for Use in Screw Machines
- Wikipedia: Ti-6Al-4V
Các con số trong cẩm nang này là giá trị thông thường để tham khảo. Bản vẽ, chứng chỉ vật liệu và xưởng được kết nối sẽ quyết định giá trị thực.
Được kết nối với một xưởng gia công vi mô
Gửi bản vẽ một lần. Chúng tôi kết nối với tối đa 3 xưởng phù hợp với chi tiết và phản hồi trong vòng 24 giờ làm việc. Miễn phí cho bên mua.
Gửi RFQ