Matrijzenbouw is een vak apart

Bundeling van ontwerp-, materialen- en productiekennis

In principe zou je matrijzen best zelf kunnen maken, maar in de praktijk valt dat vaak tegen. Matrijzen vereisen een meer dan gemiddelde vormprecisie en je hebt er een specifieke vakkennis voor nodig die meerdere terreinen bestrijkt, gaande van een diepe materialenkennis – want elke toepassing vraagt een ander materiaal met heel eigen eigen­schappen – over kennis van veren, bussen en afstropers tot en met een volledige beheersing van het vormproces. Bovendien krijgen matrijzenbouwers vaak te maken met hardere, speciale legeringen die moeilijk te bewerken zijn. Ook dat vraagt een bepaalde knowhow, naast een goed uitgerust machinepark waarin een draad- of zinkvonkmachine niet mag ontbreken.

Focus op plaatmateriaal

Een matrijs is de negatieve vorm van het product dat je wil maken. Dat betekent dat de vorm van dat product rechtstreeks in verband staat met de matrijs. Met andere woorden, vormprecisie staat voorop. Matrijzen heb je in allerlei vormen en soorten. Een makkelijke manier om matrijzen in te delen, is door te kijken naar het materiaal dat bewerkt wordt. Gaat het om kunststoffen, dan spreken we over spuitgietmatrijzen. In het geval van non-ferrometalen – aluminium is een bekend voorbeeld – hebben we het veelal over extrusiematrijzen, terwijl we bij ferro­metalen veeleer te maken hebben met giet(werk)­matrijzen – ook wel diecast­matrijzen genoemd. Als laatste komen wij aan bij plaat- en bandmateriaal. Bij het stansen vertrekt men bijvoorbeeld vaak vanaf coil. De matrijzen die daar worden gebruikt, zijn kap-, plooi-, snij- en volg­matrijzen.

De verschillen tussen die varianten zijn groot, te groot om allemaal in dit artikel te behandelen. Neem spuitgietmatrijzen als voorbeeld: dat type gaat uit van een gesloten vorm met nauwelijks een speling, want hoe kleiner de speling, hoe beter je de wanddikte onder controle kunt houden. Daarnaast spelen de temperatuur (dus ook de koeling) en de druk een grote rol, aangezien het materiaal over het algemeen in vloeibare vorm de matrijzen binnenkomt. Dat betekent onder meer dat de matrijs bestand moet zijn tegen hoge temperaturen. Bij het stansen speelt de temperatuur meestal minder. Stansen is een mechanische vervorming van een dunne plaat en berust op afschuiving met breuk tot gevolg. Een ander principe dus, en bijgevolg een andere problematiek. In wat volgt, zullen we ons beperken tot dat type van matrijzen.

Stansen ook ideaal voor grotere reeksen

Stansen lijkt heel erg op ponsen. Het is eveneens een omvormproces waarbij de snijder of stempel door het materiaal heen wordt gedrukt, terwijl de matrijs of snijplaat het plaatmateriaal ondersteunt. Door het duwen van de stempel ontstaat er heel lokaal een zone met afschuiving, waardoor het materiaal uiteindelijk breekt. Daarna komt het erop aan de stempel terug naar zijn beginpositie te trekken zonder het materiaal te beschadigen. Dat is minder evident dan het lijkt, omdat de gatdiameter na het ‘snijden’ kleiner is door de terugvering van de plaat. Vaak heeft men dan ook een neerhouder of afstroopplaat nodig die het plaatmateriaal op zijn plaats houdt.

Soms is het zoeken naar de juiste afstelling, iets wat bij gecoate platen nog meer van belang is, omdat een te grote afstroopkracht de coatinglaag zou kunnen beschadigen. Bij het stansen is het de operator te doen om het uitstampte materiaal (dat is namelijk het product) maar even goed om de plaat. Bij het ponsen gaat het enkel om de bewerkte plaat. Verder heb je bij het stansen, in tegenstelling tot bij het ponsen, te maken met productspecifieke gereedschap­pen. Stansen wordt daarom vooral interessant bij grote reeksen. Het is tevens een techniek die zich uitstekend leent voor complexe contouren in één slag.

Gereedschappen onder de loep

Laat ons nu de focus naar de gereedschappen verleggen. Het is belangrijk om te weten hoe ze als geheel zijn opgebouwd, omdat we dan beter begrijpen waar de moeilijkheden liggen en waar het eventueel fout kan gaan. Immers, de gereedschappen zijn misschien wel het hart van het omvormproces. Per slot van rekening zijn het die gereedschappen die uiteindelijk de vorm van het product bepalen.

Algemene opbouw

De stempel en de matrijs worden de ‘vormdelen’ van de gereedschappen genoemd. Ze zijn specifiek voor elk product. Daarnaast heb je de boven- en onderplaat, waar respectievelijk de stempel en de matrijs aan zijn bevestigd. De stempel en matrijs moeten ten opzichte van elkaar bewegen. Vaak is dat in een rechte lijn. Die voorbeschreven beweging is cruciaal voor het omvormproces. De centrering van de stempel en de matrijs luistert nauw. Dat is de taak van de geleiding in de vorm van twee of meerdere zuilen, ook wel kolommen genoemd. De combinatie van de zuilen en het boven- en onderstel heet het stempelhuis. Complete stempelhuizen maar ook de aparte onderdelen kun je zo kopen in de handel. Het zijn doorgaans standaard-onderdelen die dus niet productspecifiek zijn, al wordt vaak gekozen om dit op maat te maken, omwille van de vormvrijheid.

Varianten

Om te beginnen heb je open gereedschap zonder eigen geleiding. Voor de nauwkeurigheid van de beweging ben je volledig aan­gewezen op de geleiding van de machine. Een andere variant die met name bij de ponsgereedschappen populair is, maakt gebruik van een vaste leiplaat die meteen ook dienst doet als afstroper. Het nadeel is dat zowel de leiplaat als de snijder een zeer hoge maatnauwkeurigheid vereist. Bovendien loop je het risico op beschadiging door metaalsplinters (bijvoorbeeld bij aluminium) en de bereikbaarheid voor de operator is soms een probleem, wat het manuele inleggen bemoeilijkt.

Gereedschappen met kolomgeleiding vormen een derde variant – en eigenlijk de standaard. Daarbij onderscheiden we twee duidelijke verschillen: je hebt er met een verende leiplaat die wordt ingezet om bijvoorbeeld bij het stansen op coil het bandmateriaal te fixeren. Dan zijn er constructies die kiezen voor een vaste afstroopplaat in plaats van een verende leiplaat. Die is over het algemeen sneller en je kunt er sneller mee stampen omdat je niet met veren zit, die zich terug moeten ontspannen. Daarnaast is dit een stuk goedkoper omdat er geen veren en minder bewegende delen zijn. De oplossing met veren maakt het ombouwen moeilijker, maar in sommige gevallen is het noodzakelijk. Bovendien garandeert die ook een betere vorming of een nettere uitkapping. Daarom kiest men die constructie om zich te verzekeren van een erg nauwkeurige stans.

Meerdere bewerkingen ineens

Om de productiviteit en de efficiëntie van je proces te verhogen, kun je ervoor kiezen om gereedschappen te gebruiken die meerdere bewerkingen kunnen combineren. Denk bij­voorbeeld aan de combinatie snijden-plooien-snijden, of ponsen-dieptrekken-volgtrekken. Daarbij heb je twee mogelijkheden: ofwel voer je die meerdere bewerkingen uit in één slag, ofwel zet je verschillende stations achter elkaar waarbij de tussenproducten bij het transport van station tot station gewoonlijk vast spreken we over combinatiegereedschappen, in het tweede geval over volggereedschap.

Aandachtspunten

Voor een optimaal repeteerbaar resultaat moeten de machine en het gereedschap goed op elkaar zijn af­gestemd. Anders krijg je geen constante beweging. We onderscheiden drie grote oorzaken van problemen.

Centreringsproblemen

Centreringsproblemen kunnen diverse oor­zaken hebben: een verkeerde interactie tussen machine en gereedschap, zijdelings­gerichte krachten of een proceskracht die niet centraal is, een slingerende stoter … Een slechte centrering resulteert in een slechte verdeling van de snijspleet, wat op zijn beurt leidt tot een korte standtijd en braamvorming. Een stijve gereedschapsgeleiding kan al veel ellende verhelpen maar is niet altijd afdoende.

Doorschieten

We vertelden al dat stansen en ponsen berusten op afschuiving, met breuk als gevolg. Wanneer het materiaal scheurt, komt de opgebouwde energie plots vrij en kan de stempel doorschieten. Zowel de stempel als de matrijs zijn daardoor onderhevig aan extra slijtage. Daarom moet snijslag zoveel mogelijk vermeden worden. Dat kan bijvoorbeeld door het afschuinen van de snijders opdat een gelijkmatiger proces ontstaat. Helaas introduceer je zo zijdelingse belasting waardoor die oplossing voor kleine snijders geen optie is.

Doorbuiging

Tijdens het omvormproces ontstaan er hoge krachten die het machinebed elastisch ver­vormen, waardoor er een relatieve beweging optreedt tussen de machine en het gereedschap. De gevolgen daarvan zijn in de eerste plaats centreringsfouten en onnauwkeurigheden in de diepte-instelling van de stoter. Door die relatieve beweging kunnen de spanmiddelen los komen te zitten en bijgevolg ook het gereedschap. Wat soelaas kan brengen, is het aanpassen van de lengte van de plooihouderpennen, omdat het doorbuigen zo wordt gecompenseerd. Natuurlijk kom je al een eind als je de spanmiddelen juist plaatst en het machinebed voldoende stijf is.

Conclusie

Matrijzenbouw is een vak apart. Waar klassieke toeleveringsbedrijven specialisten zijn in hun eigen product en niche, komen matrijzenbouwers in contact met allerhande toepassingen en producten waarvoor ze matrijzen moeten ontwikkelen. Door die ervaring kunnen ze aan kruisbestuiving doen en kunnen ze plukken uit een veel gevarieerdere kennis over specifieke gasdrukveren of een speciaal soort van kolommen die misschien wel ideaal zijn voor jouw product. De belangrijkste ontwikkelingen zijn volgens de matrijzenbouwers te vinden in de continue verbetering van standaardelementen, waardoor bijvoorbeeld het aligneren vergemakkelijkt.

Matrijzenbouwers bewijzen ook hun meerwaarde door de uitgekiende keuze voor vaak hardere, slijtvaste materialen in combinatie met hoogwaardige coatings om de standtijd van de stempels en matrijzen te maximaliseren. Maar die materialen moet je ook nog kunnen bewerken, met een bovengemiddelde maatnauwkeurigheid. Die uitdaging kun je alleen het hoofd bieden met een performant machinepark en aan­gepaste software. Immers, alle klassieke softwarepakketten hebben voor matrijzen speciale modules: SolidWorks, CATiA, Mastercam, TopSolid, Visi, WorkNC … Er is zelfs software specifiek voor volgmatrijzen. Ze helpt onder meer de complexe producten te ontvouwen en van daaruit de matrijs met een paar clicks veel sneller op te bouwen. Redenen genoeg dus om toch eens goed na te denken, vooraleer je zelf aan matrijzen begint.