Odlew aluminiowy czy frezowanie z pełnego? Kiedy opłaca się odlew, a kiedy CNC lub konstrukcja spawana

Frezowanie z pełnego wygrywa przy prototypach, pojedynczych sztukach i konstrukcjach, które jeszcze się zmieniają. Odlew wygrywa, gdy seria rośnie, a kształt ma kieszenie, żebra, kanały i zmienne przekroje, które trzeba by mozolnie wybierać z bloku. Próg opłacalności da się policzyć: wystarczy porównać jednorazowy koszt oprzyrządowania z oszczędnością na każdej sztuce. Pokazujemy, jak to zrobić, i co poza ceną przemawia za każdą z dróg.

W skrócie

• Frezowanie z pełnego nie wymaga formy, więc jest najtańsze przy kilku lub kilkudziesięciu sztukach i przy częstych zmianach konstrukcji.
• Odlew ma koszt startowy (model, kokila lub forma ciśnieniowa), ale niższy koszt sztuki: zużywa mniej materiału i skraca czas obróbki.
• Próg opłacalności = koszt oprzyrządowania ÷ (koszt sztuki z pełnego − koszt sztuki z odlewu po obróbce).
• Odlew i część frezowana to zwykle różne gatunki aluminium: stopy odlewnicze mają skład dobrany pod lejność, a wyroby walcowane i ciągnione – pod przeróbkę plastyczną.
• Często najlepsza jest droga hybrydowa: prototyp frezowany lub odlany w formie piaskowej, seria z odlewu z obróbką wykańczającą CNC.

Porównanie: odlew, frezowanie z pełnego i konstrukcja spawana

Kryterium	Odlew + obróbka wykańczająca	Frezowanie z pełnego	Konstrukcja spawana
Koszt startowy	oprzyrządowanie (od taniego modelu do drogiej formy ciśnieniowej)	programowanie i przyrządy, bez formy	przyrządy spawalnicze
Koszt sztuki	niski przy serii	wysoki: dużo materiału i czasu maszynowego	wysoki: cięcie, spawanie, prostowanie, obróbka
Wykorzystanie materiału	kształt bliski gotowej części, mało wiórów	duża część bloku zamienia się w wióry	dobre, ale z naddatkami pod obróbkę po spawaniu
Swoboda kształtu	kanały, żebra, zmienne przekroje, zaokrąglenia	ograniczona dostępem narzędzia	ograniczona do elementów z blach i profili
Czas do pierwszej sztuki	najdłuższy (oprzyrządowanie)	najkrótszy	krótki
Zmiany konstrukcji	kosztowne po wykonaniu formy	tanie: zmiana programu	średnio kosztowne
Powtarzalność w serii	wysoka, zwłaszcza w kokili i formie ciśnieniowej	wysoka	zależna od spawacza i przyrządów

Odlew czy frezowanie: jak policzyć próg opłacalności

Akademicki podręcznik „Odlewnictwo” (WNT) radzi porównywać koszt całego procesu: z obróbką skrawaniem, obróbką cieplną i montażem, a nie samą cenę surowego odlewu. Wynika to z prostej struktury kosztów: oprzyrządowanie odlewnicze płaci się raz, a obróbkę – przy każdej sztuce.

Próg opłacalności, czyli liczba sztuk, od której odlew staje się tańszy, liczysz tak:

liczba sztuk = koszt oprzyrządowania ÷ (koszt sztuki frezowanej z pełnego − koszt sztuki z odlewu po obróbce)

Przykład (wartości umowne, nie cennik): część frezowana z pełnego kosztuje 180 zł za sztukę. Ta sama część z odlewu, po obróbce wykańczającej, kosztuje 45 zł, ale wymaga oprzyrządowania za 24 000 zł. Próg wynosi 24 000 ÷ (180 − 45) ≈ 178 sztuk.

Liczba sztuk	Frezowanie z pełnego	Odlew + obróbka (z oprzyrządowaniem)	Koszt jednej sztuki z odlewu
50	9 000 zł	26 250 zł	525 zł
200	36 000 zł	33 000 zł	165 zł
500	90 000 zł	46 500 zł	93 zł
2000	360 000 zł	114 000 zł	57 zł

Liczy się całkowite zapotrzebowanie w cyklu życia wyrobu (o ile oprzyrządowanie je wytrzyma), a nie pierwsze zamówienie. Jeśli spodziewasz się 300 sztuk rocznie przez pięć lat, porównujesz 1500 sztuk, a nie 300. Z jakich pozycji składa się koszt sztuki z odlewu, wyjaśniamy w artykule o tym, ile kosztuje odlew aluminiowy, a koszt i trwałość form – w tekście o tym, ile wytrzymuje kokila i forma ciśnieniowa.

Na wynik wpływa też technologia odlewania. Według podręcznika forma piaskowa opłaca się przy każdej wielkości serii, kokila zwykle powyżej ok. 400 sztuk przy prostych odlewach (powyżej ok. 1000 przy złożonych), a odlewanie ciśnieniowe powyżej ok. 2500 sztuk. Przy kilkudziesięciu sztukach porównanie z frezowaniem warto więc robić dla formy piaskowej, a nie dla kokili.

Właściwości: odlew to nie gorsze frezowanie, tylko inny materiał

Część frezowana powstaje zwykle z płyty lub pręta ze stopu do przeróbki plastycznej, a odlew – ze stopu odlewniczego. Podręcznik zwraca uwagę, że stopy odlewnicze mają skład zmodyfikowany pod kątem lejności i odtwarzania kształtu, dlatego to inne gatunki, a nie „to samo aluminium w innej postaci”.

W praktyce oznacza to kilka różnic:

• Wydłużenie i udarność. Wyroby walcowane i ciągnione mają zwykle wyższą plastyczność. Odlewy z siluminów są mniej plastyczne, zwłaszcza w stanie lanym (F), a sztywność obu grup jest zbliżona – moduł sprężystości stopów aluminium to ok. 70 GPa.
• Wytrzymałość zależy od technologii odlewania. Ten sam stop jest mocniejszy w kokili niż w formie piaskowej, bo szybciej stygnie i ma drobniejsze ziarno. Według PN-EN 1706 minimalna wytrzymałość na rozciąganie stopu EN AC-42100 (AlSi7Mg0,3) po obróbce cieplnej T6 wynosi 230 MPa dla odlewów piaskowych i 290 MPa dla kokilowych (próbki odlewane oddzielnie).
• Właściwości w odlewie nie są jednakowe. Grube ścianki stygną wolniej niż cienkie, a ewentualna porowatość obniża wytrzymałość lokalnie. Próbki wycięte z odlewu dają zwykle niższe wyniki niż próbki odlewane oddzielnie, dlatego miejsce i sposób badania ustala się w zamówieniu.

Jeśli część jest krytyczna dla bezpieczeństwa, wymagania trzeba opisać razem ze stopem, stanem i metodą badań. Szczegóły omawiamy w artykule o tym, od czego zależy wytrzymałość odlewów aluminiowych.

Geometria, która przemawia za odlewem

Odlew zyskuje najwięcej tam, gdzie frezowanie oznacza wybieranie dużej ilości materiału albo walkę z dostępem narzędzia:

• korpusy i obudowy z kieszeniami, przegrodami i cienkimi ściankami,
• kanały wewnętrzne, które w odlewie tworzy rdzeń, a przy frezowaniu wymagałyby wiercenia i zaślepiania albo dzielenia części,
• żebra i zmienne przekroje – w odlewie powstają od razu, przy frezowaniu każde żebro to kolejne przejścia narzędzia,
• kształty organiczne i zaokrąglenia, które z bloku wymagają długiej obróbki 5-osiowej.

Odlew nie oznacza rezygnacji z obróbki: powierzchnie przylgowe, otwory pasowane i gwinty i tak się frezuje. Ważne, żeby naddatki były zaplanowane tylko tam, gdzie są potrzebne, według zasad opisanych w tekście o tolerancjach i naddatkach na obróbkę według ISO 8062-3.

Kiedy lepiej zostać przy CNC lub konstrukcji spawanej

Frezowanie z pełnego jest właściwym wyborem, gdy:

• potrzebujesz kilku sztuk albo prototypu na już,
• konstrukcja nie jest zamrożona i może się zmienić po testach,
• część jest płaska i prosta, a większość jej powierzchni i tak wymaga dokładnej obróbki,
• wymagane jest wysokie wydłużenie lub udarność, której stop odlewniczy nie zapewni.

Konstrukcja spawana z blach i profili sprawdza się przy dużych gabarytach i pojedynczych sztukach, gdy nie trzeba ukrywać spoin, a masa nie jest krytyczna. Trzeba jednak pamiętać o odkształceniach spawalniczych, prostowaniu i o tym, że w stopach utwardzanych cieplnie strefa wpływu ciepła traci część wytrzymałości. Jeśli porównujesz też materiały, na przykład zamianę stali lub żeliwa na aluminium, zobacz zestawienie aluminium czy żeliwo na odlew.

Ścieżka hybrydowa: prototyp z CNC, seria z odlewu

Najmniej ryzykowna droga dla nowego wyrobu wygląda zwykle tak:

1. Pierwsze sztuki frezowane z pełnego albo odlane w formie piaskowej z modelu drukowanego lub frezowanego – szybko, bez drogiej formy.
2. Testy w złożeniu i ewentualne poprawki konstrukcji, póki zmiany są tanie.
3. Dostosowanie modelu do odlewania: pochylenia, zaokrąglenia, wyrównanie grubości ścianek, naddatki tylko na powierzchniach funkcjonalnych.
4. Oprzyrządowanie dobrane do rocznej serii: forma piaskowa, kokila albo forma ciśnieniowa.
5. Seria z odlewu z obróbką wykańczającą CNC w jednym miejscu.

Taki układ dobrze działa wtedy, gdy odlewanie i obróbka skrawaniem CNC są w jednych rękach. Przyrządy, bazy i naddatki projektuje się wtedy razem z odlewem, a za wymiar gotowej części odpowiada jeden dostawca.

Najczęściej zadawane pytania

Policzymy próg opłacalności dla Twojej części

Wyślij model 3D i rysunek do wyceny razem z planowaną liczbą sztuk w całym cyklu życia wyrobu. Porównamy wariant odlewany z obróbką wykańczającą z wariantem frezowanym i wskażemy, od ilu sztuk odlew zaczyna się opłacać.

Źródła i normy

• M. Perzyk (red.), Odlewnictwo, WNT, Warszawa – rozdz. 3.1.5 (stopy odlewnicze o zmodyfikowanym składzie, s. 153; tabl. 3.7 – wpływ technologii na właściwości stopów aluminium, s. 146), 3.3 (tabl. 3.23 – ekonomiczna wielkość produkcji, s. 188), 3.4 (wybór procesu, koszt całego procesu, s. 193–194).
• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Aluminium i stopy aluminium – Odlewy – Skład chemiczny i właściwości mechaniczne (tablice minimalnych właściwości próbek odlewanych oddzielnie; postanowienia o próbkach pobieranych z odlewów).