Korkean lämpötilan painemuotin materiaalien vertailu ja alustava valinta tarkkuussarjatuotantoon

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla materiaaleja ja tehdä alustava valinta korkean lämpötilan painemuottia varten. Materiaalien tuli lisäksi sopia käytettäväksi tarkkuussarjatuotantomuottiin, minkä vuoksi tuotekohtaiset muottikustannukset oli rajattu. Olosuhteissa toimimista ja kustannuksia lukuun ottamatta muotilla ei ollut muita vaatimuksia, minkä takia potentiaalisten muottimateriaalien määrä oli erittäin laaja ja alustava valinta riippuvainen muottikonseptista.

Materiaalinvalintaprosessi aloitettiin suhteellisen laajalla kirjallisuustutkimuksella, jossa tutkittiin määritetyissä olosuhteissa tapahtuvia vaurioita, materiaaliryhmien ominaisuuksia, vastaavanlaisissa olosuhteissa toimivia sovelluksia ja materiaaleja ja sarjatuotannossa käytettävän muotin kustannus- ja laatutekijöitä. Kirjallisuustutkimusten tulosten ja systemaattisen koneensuunnittelun avulla kehitettiin muottikonsepti, jolle valittiin materiaalit systemaattisen materiaalinvalintaprosessin mukaisesti.

Kehitetty muottikonsepti koostuu tukirakenteesta ja kertakäyttöisistä hylsyistä. Hylsyt asetetaan tukirakenteeseen valmistettavan tuotteen ja tukirakenteen väliin. Tällä periaatteella muotin huoltokustannukset vähenevät, mutta käyttökustannukset kasvavat. Tämä koettiin kannattavaksi vaihtoehdoksi poikkeuksellisen suurien lämpökuormien aiheuttaman kulumisen ja sitä seuraavan huollontarpeen vuoksi. Systemaattisen materiaalinvalinnan tuloksena hylsymateriaaliksi valittiin EN DC01 teräs, joka tulisi pinnoittaa zirkoniumdioksidi tai boorinitridi pohjaisella lämpösuoja- tai voiteluaineella. Tukirakenteen materiaali riippuu prototyypin yhteydessä mitatuista lämpökuormista, jotka kohdistuvat hylsyn läpi tukirakenteeseen. Prototyypin tukirakenteen materiaaliksi valittiin EN 1.2344 teräs.

The goal of this Master’s thesis was to compare materials and make preliminary selection for high temperature pressure die. Chosen materials were to be suitable to be used in high accuracy mass production. Outside of working in the process environment and cost no other requirements were given for the die. Thus the amount of potential die materials was vast and dependent on the die’s working principle.

Material selection process begun with relatively vast literature research, in which the damage that occur in the given environment, properties of material groups, applications used in similar environment and common die processes’ production quality and cost factors were examined. By the use of the literature research and systematic machine design a novel die concept was developed, for which preliminary material was chosen according to systematic material selection process.

Developed die concept consists of support structure and expendable cases. Cases are placed in the support structure between the product material and the structure. Via this principle the die’s maintenance costs decrease, but operating costs increase. This was seen as economical option because of the expected amount of wear and maintenance caused by the exceptionally large thermal loads. As a result of the systematic material selection the cases are to be made of EN DC01 steel, which should be painted with zirconium dioxide or boron nitride based thermal barrier coatings or dry lubricants. Material of the support structure depends on the value of the measured thermal loads that are directed to it through the expendable case during prototyping phase. Prototype’s support structure is to be made out of EN 1.2344 steel.