Η διαδικασία βαθειάς διαμόρφωσης μετατρέπει επίπεδα μεταλλικά φύλλα σε κοίλα εξαρτήματα που είναι τόσο ανθεκτικά όσο και ακριβή. Στην ουσία, είναι μια μέθοδος ψυχρής διαμόρφωσης, κατά την οποία η πίεση εφαρμόζεται σταδιακά για να διαμορφωθεί το υλικό χωρίς να χρειάζονται συγκολλήσεις ή ραφές. Εξαιτίας αυτού, λειτουργεί πολύ καλά σε βιομηχανίες όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροναυπηγική και η παραγωγή ιατρικών συσκευών. Όταν οι εταιρείες καταφέρνουν να συνδυάσουν με εξυπνάδα τα σχέδια των διατρητών με τις γνώσεις τους για διαφορετικά μέταλλα, μπορούν να δημιουργήσουν ποικιλία πολύπλοκων σχημάτων. Και το καλύτερο; Καταφέρνουν να διατηρήσουν εξαιρετικά στενές ανοχές, περίπου ±0,005 ίντσες, και να καταλήξουν σε ελάχιστα απόβλητα κατά την παραγωγή.
Η βαθιά διαμόρφωση είναι ουσιαστικά η διαδικασία κατά την οποία οι κατασκευαστές τραβούν ένα επίπεδο μεταλλικό κομμάτι μέσα σε μια κοιλότητα με ένα εργαλείο διαμόρφωσης, δημιουργώντας εξαρτήματα που είναι ψηλότερα από το πόσο είναι πλατιά. Διαφέρει από την επιφανειακή διαμόρφωση, όπου οι απλές μορφές δημιουργούνται με μια μόνο κίνηση. Ωστόσο, στην περίπτωση της βαθιάς διαμόρφωσης, το μέταλλο χρειάζεται πολλαπλά στάδια με διαδοχικά διαμορφωμένες μήτρες, ώστε να μην σκιστεί ή να εμφανίσει ενοχλητικές τσακίσματα κατά τη διαδικασία. Οι περισσότερες επιχειρήσεις διαπιστώνουν ότι αυτή η μέθοδος λειτουργεί πολύ καλά με μέταλλα που επιμηκύνονται εύκολα, όπως το ανοξείδωτο ατσάλι και οι κράματα αλουμινίου. Αυτά τα υλικά αντέχουν αρκετά σημαντικές μειώσεις στο μέγεθος χωρίς να καταστραφούν, αν και κανείς δεν προσπαθεί να τα σπρώξει πέρα από τα όρια που έχουν νόημα για την ποιότητα της παραγωγής.
Η εφαρμογή ελεγχόμενης μηχανικής δύναμης που κυμαίνεται από περίπου 50 έως 2.000 τόνους σε συνδυασμό με πολυσταδιακούς διατρητήρες βοηθά στη διατήρηση σταθερής ροής υλικού καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας διαμόρφωσης. Όσον αφορά την ακρίβεια, οι κατασκευαστές βασίζονται σε διατρητήρες με λειασμένες επιφάνειες, όπου η ακτινική σχισμή παραμένει κάτω από 10% της πραγματικής πάχους του υλικού, προκειμένου να μειωθούν τα προβλήματα τριβής. Για όσους διαχειρίζονται γραμμές παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων, οι καρφιά επικαλυμμένα με άζωτο έχουν γίνει τυποποιημένος εξοπλισμός, καθώς μειώνουν σημαντικά τα προβλήματα με την πρόσφυση. Και μην ξεχνάμε τον ρόλο των προηγμένων προγραμμάτων προσομοίωσης αυτές τις μέρες. Αυτά τα προγράμματα προβλέπουν με ακρίβεια τα σημεία όπου θα αναπτυχθούν τάσεις στα υλικά, επιτρέποντας στους μηχανικούς να σχεδιάζουν διατρητήρες οι οποίοι αντιμετωπίζουν συχνά ελαττώματα κατά την παραγωγή, όπως το σχηματισμό αυλακών ή τοίχων που καταλήγουν να είναι πολύ λεπτοί σε ορισμένες περιοχές.
Ο τρόπος με τον οποίο κατεργάζονται τα παραγωγικά κομμάτια εξαρτάται πραγματικά από τρεις βασικούς παράγοντες: σκληρότητα του υλικού, κοκκώδη δομή και το πόσο μπορούν να τεντωθούν πριν σπάσουν. Όταν εργαζόμαστε με επιφανειακά μέταλλα που έχουν τουλάχιστον 40% επιμήκυνση, όπως είναι η καλή παλιά ανοξείδωτη χάλυβα 304 για παράδειγμα, μπορούμε να τα τραβήξουμε σε πιο βαθιές μορφές σε σχέση με πιο σκληρά κράματα. Οι συγκρατητές παραγωγικών κομματιών ασκούν συνήθως περίπου 10 έως και 30 τοις εκατό της συνολικής δύναμης διαμόρφωσης, απλώς και μόνο για να διασφαλίσουν τη σωστή ροή του μετάλλου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχηματοποίησης. Τα λιπαντικά επίσης παίζουν τον ρόλο τους, μειώνοντας την επιφανειακή φθορά. Τώρα, όταν έχουμε να κάνουμε με υλικά που δεν τεντώνονται εύκολα, οι κατασκευαστές συχνά εισάγουν αυτά τα ενδιάμεσα βήματα αποταθρώσεως μεταξύ των εργασιών διέλασης. Αυτό βοηθά να επανέλθει κάποια ευελιξία στο υλικό και μας επιτρέπει να φτάσουμε σε αυτούς τους εντυπωσιακούς λόγους βάθους προς διάμετρο, μερικές φορές ακόμα και 3 προς 1 σε περιβάλλοντα παραγωγής.
Τα βαθιά σχηματισμένα εξαρτήματα ξεχωρίζουν σε εφαρμογές που απαιτούν ακριβείς γεωμετρίες, δομική ακεραιότητα και επαναληψιμότητα. Ας εξερευνήσουμε τα χαρακτηριστικά τους και τους περιορισμούς.
Η διαδικασία βαθιάς έλασης επιτυγχάνει ανοχές έως ±0,01 mm, κάτι που είναι απαραίτητο για ακριβείς εφαρμογές, όπως είναι οι εκτοξευτήρες καυσίμου και οι θήκες ιατρικών συσκευών που απαιτούν στεγανοποίηση. Η πολυσταδιακή κατεργασία με εργαλειομηχανές CNC εξασφαλίζει απόκλιση <50 μm σε περισσότερους από 10.000 κύκλους παραγωγής, μειώνοντας στο ελάχιστο την ανάγκη για μεταγενέστερες επεξεργασίες σε κλάδους όπως ο αεροναυπηγικός και η μικροηλεκτρονική.
Η διαδικασία μετατρέπει επίπεδα ελάσματα σε σχήματα μορφής ποτηριού με βάθος που υπερβαίνει το 5πλάσιο της διαμέτρου τους, χρησιμοποιώντας 4–12 διαδοχικά μήτρες. Ακτινικές φλάντζες, βαθμιαίοι τοίχοι και ασύμμετρα χαρακτηριστικά σχηματίζονται χωρίς συγκολλήσεις, κάτι που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα κοχλιωτά συναρμολογημένα εξαρτήματα. Για παράδειγμα, θήκες αντιηλεκτρομαγνητικής προστασίας (EMI) με πάχος τοιχώματος 0,5 mm και αυλάκια με εναγκαλισμό δείχνουν αυτήν τη δυνατότητα.
Η κρυογενής επεξεργασία κατά τη διαδικασία της βαθιάς κοίλης θερμαίνει τη σκληρότητα του υλικού κατά 15–30%, ενώ προσανατολίζει τους μεταλλικούς κόκκους κατά μήκος των διανυσμάτων τάσης. Αυτό δημιουργεί εξαρτήματα χωρίς ραφές με 2–3 φορές μεγαλύτερη αντοχή στην κόπωση σε σχέση με συγκολλημένες εναλλακτικές, καθώς έχει αποδειχθεί σε περιβάλλοντα στεγανοποίησης αισθητήρων αυτοκινήτου που επιβιώνουν από 100+ θερμικούς κύκλους σε θερμοκρασίες -40°C έως 150°C.
Τα εξαρτήματα με λεπτό τοίχωμα (<0,3 mm) διατρέχουν κίνδυνο δημιουργίας ρυτίδων κατά τη διάρκεια της βαθιάς κοίλης, καθιστώντας προτιμότερες τις συναρμολογήσεις με laser-cut/συγκόλληση. Οι παραγωγές σε μικρό όγκο (<500 τεμάχια) προτιμούν συχνά την κατεργασία λόγω των χαμηλότερων κόστους εργαλειοθηκών, αν και το απόβλητο υλικού αυξάνεται κατά 40–60% σε σχέση με την εξαιρετική αποδοτικότητα της βαθιάς κοίλης.
Η πραγματική αξία των εξαρτημάτων βαθιάς διαμόρφωσης (deep drawn) καθορίζεται από τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή τους. Το ανοξείδωτο ατσάλι είναι παντού στον εξοπλισμό ιατρικών μηχανημάτων και στις μηχανές επεξεργασίας τροφίμων σήμερα, καθώς υπολογίζεται ότι αποτελεί το 72% όλων των εφαρμογών, επειδή κανείς δεν θέλει το μέταλλο να σκουριάζει ή να αντιδρά με χημικά κατά τη διαδικασία αποστείρωσης. Όσον αφορά τα αεροπλάνα και τα διαστημόπλοια, το τιτάνιο είναι το υλικό που κυριαρχεί λόγω της εξαιρετικής του αντοχής σε σχέση με το βάρος του. Μπορεί να μειώσει το βάρος κατά περίπου 30% χωρίς να θυσιαστεί η αντοχή, κάτι που είναι πολύ σημαντικό όταν πρόκειται για επαναλαμβανόμενες κυκλικές πιέσεις. Για εφαρμογές που απαιτούν καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, το χαλκό και το μπρούντζο είναι δύσκολο να ξεπεραστούν, καθώς διαθέτουν εντυπωσιακές τιμές IACS 100%. Τα κράματα αλουμινίου προσφέρουν επίσης μια καλή μέση λύση, παρέχοντας αντοχή στην περιοχή 150-200 MPa, ενώ είναι αρκετά εύκαμπτα ώστε να μπορούν να διαμορφωθούν σε πολύπλοκες μορφές.
Η απόδοση των υλικών εξαρτάται από τρεις μετρήσιμες παραμέτρους:
Το αλουμίνιο 3003 επιτυγχάνει 50% μεγαλύτερο βάθος τραβήγματος από τον χαλύβα ελαφριάς επεξεργασίας πριν από τη λαίρευση, αλλά ο ανοξείδωτος χάλυβας 304 διατηρεί 2,3 φορές υψηλότερη εφελκυστική αντοχή μετά το σχηματισμό. Αυτή η ανταλλαγή καθορίζει την επιλογή υλικού: τα βαθιά τραβηγμένα εγχυτήρια καυσίμου προτιμούν την αντοχή του ανοξείδωτου χάλυβα στην έκρηξη των 1200 MPa αντί της ελαφριάς βάρους του αλουμινίου.
Όταν ένας κορυφαίος κατασκευαστής ιατρικών συσκευών αντιμετώπισε επανειλημμένες αποτυχίες αποστείρωσης (ποσοστό απόρριψης 12%) στα κελύφη αλουμινίου, η αλλαγή σε ανοξείδωτο χάλυβα 316L έλυσε τρία κρίσιμα ζητήματα:
Τα μετά τη μετάβαση δεδομένα έδειξαν μείωση 35% στα ελαττώματα παραγωγής και 19% μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του προϊόντος—καθοριστικοί παράγοντες που δικαιολογούν την αύξηση του κόστους υλικού κατά 28%
Η βαθιά διαμόρφωση (deep drawing) λειτουργεί πολύ καλά για τη μαζική παραγωγή, καθώς μειώνει τα απόβλητα υλικών κατά τη διαδικασία της διαμόρφωσης. Κατά τη χρήση αυτής της μεθόδου, οι κατασκευαστές επιτυγχάνουν απόδοση υλικού περίπου 92 έως 98 τοις εκατό από τα ελάσματά τους, κάτι που είναι πολύ καλύτερο από το συνηθισμένο ποσοστό 60 έως 75 τοις εκατό που επιτυγχάνεται με τις συμβατικές μεθόδους κατεργασίας. Οι προοδευτικοί διατρητικοί τύποι (progressive dies) επιτρέπουν τη διαμόρφωση των εξαρτημάτων πολύ κοντά στο τελικό τους σχήμα από την αρχή, γι' αυτό δεν υπάρχει ανάγκη για επιπλέον εργασίες κοπής αργότερα. Υπάρχουν και οικονομικά οφέλη – οι εταιρείες αναφέρουν μείωση περίπου 30 έως 40 τοις εκατό στο κόστος υλικών ανά μονάδα, όταν παράγουν πάνω από 100 χιλιάδες τεμάχια ετησίως. Αυτό καθιστά τη βαθιά διαμόρφωση ιδιαίτερα δημοφιλή για την κατασκευή εξαρτημάτων όπως οι εγχυτήρες καυσίμου, όπου η ακρίβεια είναι πολύ σημαντική, αλλά και η παραγωγική δυνατότητα έχει κεφαλαιώδη σημασία.
Η βαθιά έλξη με μία μόνο διαδρομή εξαλείφει 4–6 δευτερεύουσες εργασίες που απαιτούνται συνήθως για συγκολλημένες κατασκευές, όπως τροχοποίηση, στίλβωση και δοκιμή στεγανότητας. Η κατανάλωση ενέργειας μειώνεται κατά 55% όταν αντικαθίστανται οι πολυσταδιακές συγκολλημένες θήκες με ενιαίες θήκες βαθιάς έλξης σε συστήματα HVAC. Η διαδικασία της ψυχρής επεξεργασίας ενισχύει επίσης τη σκληρότητα του εξαρτήματος κατά 25–40%, μειώνοντας τις ανάγκες για ενίσχυση μετά την παραγωγή.
Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μεταφοράς επιτυγχάνουν πλέον χρόνους κύκλου κάτω των 8 δευτερολέπτων για σύνθετες γεωμετρίες, όπως κονικές θήκες προστασίας από ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI). Σημαντικά εργοστάσια ενσωματώνουν ενσωματωμένη μέτρηση με λέιζερ και ρύθμιση μήτρας με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης, επιτυγχάνοντας 99,96% διαστασιακή συνέπεια σε παρτίδες άνω των 500.000 μονάδων. Η δυνατότητα αυτής της κλιμάκωσης στην αυτοματοποίηση οδηγεί σε 18–22% ταχύτερη απόσβεση της επένδυσης σε σχέση με υβριδικές διαδικασίες διαμόρφωσης-κοπής.
Ενώ τα επενδυτικά κεφάλαια για ακριβή μήτρες κυμαίνονται από 50.000–200.000 δολάρια, το κόστος ανά μονάδα μειώνεται κατά 60–80% μετά τις 10.000 μονάδες. Ένας προμηθευτής Αυτοκινήτου Tier 1 μείωσε το κόστος των περιβλημάτων μπαταριών από 4,82 δολάρια/μονάδα (CNC) σε 1,09 δολάρια/μονάδα σε ετήσιο όγκο 250.000 μονάδων, μέσω της μετάβασης σε βαθιά έλαση.
Τα ελαμένα κομμάτια παρέχουν λύσεις με ακριβή μηχανολογική κατασκευή εκεί όπου η αντοχή, η διαστατική συνέπεια και η συνεχής κατασκευή είναι κρίσιμες. Οι κλάδοι χρησιμοποιούν αυτά τα εξαρτήματα για να ανταποκριθούν σε απαιτητικές λειτουργικές προδιαγραφές, ενώ ελαχιστοποιούν την πολυπλοκότητα συναρμολόγησης.
Στα αυτοκίνητα σήμερα, οι κατασκευαστές βασίζονται σε σημαντικό βαθμό σε εξαρτήματα βαθιάς διαμόρφωσης (deep drawn parts) για να διατηρείται η σωστή λειτουργία των συστημάτων καυσίμου και να εξασφαλίζονται ακριβείς μετρήσεις από τους αισθητήρες. Για παράδειγμα, οι εγχυτήρες καυσίμου χρειάζονται εξαιρετικά αυστηρές ανοχές σε μικροσκοπικό επίπεδο, ώστε να μπορούν να ψεκάζουν το καύσιμο σωστά υπό διαφορετικές συνθήκες φορτίου της μηχανής. Παράλληλα, το περίβλημα γύρω από τους αισθητήρες πρέπει να κατασκευάζεται από υλικά που δεν θα σκουριάσουν ή θα φθαρούν εύκολα, γι’ αυτό το λόγο το ανοξείδωτο ατσάλι γίνεται σημαντικό όταν αυτά τα εξαρτήματα εκτίθενται σε θερμοκρασίες και χλωριούχο νάτριο από το δρόμο κάτω από το καπό. Αυτό που ξεχωρίζει στη διαδικασία της βαθιάς διαμόρφωσης είναι η δυνατότητα κατασκευής αυτών των εξαρτημάτων ως ενός ενιαίου κομματιού, χωρίς συγκολλήσεις. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για τα προστατευτικά καλύμματα του κιβωτίου ταχυτήτων, καθώς αυτά τα εξαρτήματα υφίστανται συνεχείς κραδασμούς κατά τη διάρκεια της οδήγησης και οποιοδήποτε αδύναμο σημείο από συγκόλληση μπορεί να οδηγήσει σε βλάβες στο μέλλον.
Στην αεροναυπηγική παραγωγή, οι εταιρείες συχνά επιλέγουν ελασμένα εξαρτήματα από τιτάνιο και αλουμίνιο για την κατασκευή κρίσιμων εξαρτημάτων υδραυλικών συστημάτων και περιβλημάτων ηλεκτρονικών συσκευών. Η ψυχρή επεξεργασία αυτών των υλικών αυξάνει την εφελκυστική τους αντοχή κατά 15 έως 20 τοις εκατό σε σχέση με τα συνηθισμένα τόρνευμα. Αυτό κάνει τη διαφορά σε πράγματα όπως οι στηρίγματα φτερών που πρέπει να αντέχουν σε διαρκώς μεταβαλλόμενα φορτία κατά τη διάρκεια της πτήσης. Πάρτε ως άλλο παράδειγμα τα λεπτά περιβλήματα που κατασκευάζονται με βαθιά έλαση και χρησιμοποιούνται στους καταγραφείς δεδομένων πτήσης. Αυτά τα εξαρτήματα δείχνουν πόσο καλή είναι αυτή η τεχνική στη διατήρηση σταθερής πάχους 0,1 χιλιοστών, ακόμη και σε πολύπλοκες καμπυλωτές μορφές. Η ακρίβεια εδώ είναι πολύ σημαντική, όταν το θέμα είναι η ασφάλεια και η αξιοπιστία.
Τα κελύφη χειρουργικών οργάνων επωφελούνται από τις ανθεκτικές στην αυτοκλάβωση ιδιότητες του βαθέως ελασμένου ανοξείδωτου χάλυβα 316L, διατηρώντας την ακεραιότητα της επιφάνειας για πάνω από 500 κύκλους αποστείρωσης. Οι κατασκευαστές εμφυτευσίμων συσκευών χρησιμοποιούν τη διαδικασία για να δημιουργήσουν αεροστεγείς θήκες μπαταριών από τιτάνιο, με προσανατολισμό της κρυσταλλικής δομής που προλαμβάνει θραύσεις από τάση κατά τη μακροχρόνια εμφύτευση στο σώμα.
Βαθέως ελασμένα κράματα χαλκού-νικελίου παρέχουν προστασία ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας 360° σε εξαρτήματα κεραιών 5G, επιτυγχάνοντας απόσβεση 85dB μέχρι συχνότητες 40GHz. Η διαδικασία δημιουργεί συνεχή σώματα συνδεσμολογίας για υψηλής τάσης υποδοχείς φόρτισης σε ηλεκτρικά οχήματα, με ανοχές διαστάσεων μικρότερες του ±0,05mm, εξασφαλίζοντας κατάλληλη διηλεκτρική απόσταση σε συμπαγείς σχεδιασμούς.
Η βαθιά έλαση χρησιμοποιείται για τη μετατροπή επίπεδων μεταλλικών επιφανειών σε κοίλα εξαρτήματα, πολύ συχνά σε βιομηχανίες όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροναυπηγική και η κατασκευή ιατρικού εξοπλισμού, λόγω της δυνατότητας παραγωγής ισχυρών και ακριβών εξαρτημάτων χωρίς συγκολλήσεις ή ραφές.
Συνηθισμένα υλικά για τη βαθιά έλαση περιλαμβάνουν ανοξείδωτο χάλυβα, τιτάνιο, μπρούντζο, χαλκό και κράματα αλουμινίου. Η επιλογή εξαρτάται από τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα διαμόρφωσης, η ελαστικότητα και η τελική αντοχή.
Τα εξαρτήματα βαθιάς έλασης παρέχουν υψηλή διαστασιακή ακρίβεια, δομική αντοχή και κατασκευή χωρίς ραφές. Μειώνουν τα απόβλητα υλικών, περιορίζουν τις δευτερεύουσες εργασίες και επιτρέπουν την κλιμάκωση στην παραγωγή.
Η βαθιά έλαση μπορεί να μην είναι κατάλληλη για την παραγωγή εξαρτημάτων με λεπτό τοίχωμα, μικρότερο από 0,3 mm σε πάχος, καθώς υπάρχει κίνδυνος δημιουργίας ρυτίδων. Για παραγωγή σε μικρό όγκο, κάτω των 500 μονάδων, η κοπή μπορεί να είναι πιο οικονομική.