Bij matrijzen maken is de staalkeuze een van de eerste beslissingen met langdurige gevolgen. Het staal bepaalt hoeveel cycli een gereedschap meegaat, hoe snel warmte wordt afgevoerd, hoe glad een oppervlak te polijsten valt en hoe goed het gereedschap bestand is tegen agressieve kunststoffen. Een verkeerde keuze merkt u zelden in de eerste maanden. U merkt het wanneer maten gaan lopen, wanneer vormdelen putjes vertonen of wanneer reparaties vaker nodig zijn.

Er bestaat geen staalsoort die overal het beste in is. Slijtvastheid, taaiheid, warmtegeleiding, corrosiebestendigheid en bewerkbaarheid trekken elk een andere kant op. De juiste keuze volgt uit het te verwerken materiaal, het verwachte aantal cycli, de gevraagde oppervlaktekwaliteit en de productieomgeving. In onze eigen gereedschapmakerij maken wij die afweging per project.

Hieronder zetten wij de belangrijkste categorieën gereedschapsstaal naast elkaar zonder in merknamen te vervallen. Daarbij beschrijven wij welke overwegingen in de praktijk de doorslag geven.

Voorgehard staal tegenover gehard en getemperd staal

Voorgehard staal wordt geleverd op een werkbare hardheid. Het laat zich goed frezen en hoeft na de bewerking niet meer door de oven. Dat scheelt doorlooptijd en het beperkt het risico op vervorming tijdens harden, wat bij grote of asymmetrische vormdelen een reëel probleem is. Voor matrijskasten, opspanplaten en vormdelen bij kleinere series is dit vaak de logische keuze.

Gehard en getemperd staal wordt eerst voorbewerkt, daarna warmtebehandeld en vervolgens op eindmaat geslepen, gevonkt of hardgefreesd. Het resultaat is een hogere hardheid, betere slijtvastheid en een oppervlak dat zijn maat langer houdt. Dat kost meer bewerkingstijd en meer geld. Bij hoogvolume series, bij schuivende delen en bij abrasieve kunststoffen verdient die investering zich terug.

Roestvast staal voor agressieve en medische toepassingen

Roestvaste gereedschapsstalen bevatten voldoende chroom om corrosie te weerstaan. Dat is nodig zodra er materialen worden verwerkt die tijdens het smelten agressieve verbindingen afsplitsen. Bepaalde chloorhoudende kunststoffen en sommige vlamvertragende of gerecyclede materialen kunnen vormdelen in gewoon gereedschapsstaal in korte tijd aantasten.

Ook in de medische wereld is dit relevant. Gereedschap dat in een schone omgeving draait, wordt vaker gereinigd en mag geen roestvorming vertonen die deeltjes op het product achterlaat. Dezelfde logica geldt voor matrijzen die periodiek stilstaan of die met waterkoeling werken waarin condens ontstaat. Wat een productieproces geschikt maakt voor medische onderdelen leggen wij uit in dit artikel. Over materiaalkeuze en validatie schreven wij eerder in onze blog over spuitgieten van medische onderdelen.

Warmtegeleiding en koeling

Het grootste deel van een spuitgietcyclus gaat op aan koelen. Hoe sneller warmte door het staal naar de koelkanalen verdwijnt, hoe korter de cyclus. Hier ontstaat een spanningsveld, want de hardste en meest slijtvaste stalen geleiden warmte doorgaans minder goed dan zachtere soorten.

In de praktijk lossen wij dat op door te combineren. Vormdelen die vooral slijtage te verduren krijgen, maken wij uit hard staal. Dunne kernen en slecht bereikbare plekken waar warmte blijft hangen, krijgen inzetstukken uit een goed geleidend materiaal. Zo houdt u zowel levensduur als cyclustijd op peil. Dat vraagt wel dat koeling en staalkeuze in hetzelfde ontwerpstadium worden bepaald en niet achteraf worden ingepast.

Slijtvastheid bij gevulde kunststoffen

Glasvezelgevulde en mineraalgevulde kunststoffen schuren. De vezels werken bij het vullen van de holte als een fijn schuurmiddel, vooral rond aanspuitpunten, bij nauwe doorgangen en op plekken waar het materiaal met hoge snelheid langs een wand stroomt. Op die plekken groeit een maat langzaam op, worden randen bol en verandert het product zonder dat er iets aan de instellingen is veranderd.

Bij dit soort materialen kiezen wij hogere hardheid op de kritische vormdelen, vaak met vervangbare inzetstukken rond de aanspuiting. Dat maakt onderhoud voorspelbaar. Een inzetstuk vervangen is goedkoper dan een complete vormplaat opnieuw maken. Bij het spuitgieten van deze materialen plannen wij die vervanging in het onderhoudsschema in.

Oppervlaktebehandelingen en coatings

Een behandeld oppervlak vult de eigenschappen van het basisstaal aan zonder dat het hele vormdeel uit een duurder materiaal hoeft. Nitreren en soortgelijke thermochemische processen verharden een dunne buitenlaag en verhogen de slijtvastheid. Harde dunne coatings verlagen de wrijving, waardoor producten makkelijker lossen en aanhechting van materiaalresten afneemt. Verchromen en verwante lagen verbeteren de corrosieweerstand van vormdelen.

Behandelingen hebben ook beperkingen. Een dunne laag kan lokaal beschadigen en is dan niet zomaar bij te werken. Na een reparatielas of een vormcorrectie moet de behandeling opnieuw worden aangebracht. Een coating repareert bovendien geen ontwerpfout. Loopt materiaal met hoge snelheid tegen een scherpe kern, dan werkt een aangepaste aanspuiting beter dan een harde laag.

Aanschafprijs afwegen tegen levensduur bij matrijzen maken

De verleiding is groot om bij matrijzen maken naar de laagste staalprijs te kijken. Het staal zelf is echter zelden de grootste post. Bewerkingsuren, warmtebehandeling, polijstwerk en montage wegen samen veel zwaarder. Een goedkopere staalsoort die halverwege de serie moet worden vervangen, kost meer aan stilstand dan de meerprijs bij aanschaf.

Wij redeneren daarom vanuit het aantal cycli dat u nodig heeft en vanuit het materiaal dat erdoorheen gaat. Bij een prototype volstaat vaak een eenvoudige opzet. Bij een serieproduct dat jaren doorloopt, kiezen wij hardere vormdelen en vervangbare inzetstukken op de zwaarst belaste plekken. Onze blog over het belang van een betrouwbare kunststof matrijs gaat verder in op die afweging.

Twijfelt u over de staalkeuze voor een nieuw gereedschap? Of vertoont een bestaande matrijs sneller slijtage dan verwacht? Wij kijken graag met u naar het materiaal, het aantal cycli en de plekken waar het misgaat. Neem gerust contact op met onze toolshop in Veldhoven.