Porozumění vstřikování kovů (MIM)

Vstřikování kovů (MIM) je výrobní proces používaný k výrobě malých, složitých kovových dílů s úzkými tolerancemi. MIM kombinuje všestrannost vstřikování plastů s pevností a integritou obráběných kovů. Tento článek poskytuje podrobný přehled technologie MIM, aplikací, zařízení, procesu, návrhových hledisek a dalších.

Přehled vstřikování kovů

Vstřikování kovů je proces práškové metalurgie, který umožňuje velkosériovou výrobu malých, přesných kovových součástí pomocí technik vstřikování.

Jak MIM funguje

Proces MIM zahrnuje smíchání jemného kovového prášku s pojivem za účelem vytvoření vsázky, kterou lze vstřikovat do forem. Lisované díly, známé jako zelené díly, se poté slinují, aby se odstranilo pojivo a kovový prášek se zkonsolidoval do pevné struktury. Základní kroky jsou:

• Míchání – Jemný kovový prášek se smíchá s pojivy za účelem vytvoření homogenní vsázky
• Vstřikování – Vsázka se roztaví a vstřikuje do formy za účelem vytvoření zelených dílů
• Debinding – Pojivo se odstraní pomocí rozpouštědla, tepelně nebo katalyticky
• Spékání – Odpojované díly se slinují, aby se zhutnila a zpevnila kovová struktura
• Sekundární operace – Další dokončovací kroky, jako je obrábění, vrtání, závitování atd.

Výhody MIM

MIM nabízí několik výhod oproti jiným výrobním technikám:

• Velkosériová výroba s nízkými náklady na díl
• Složité geometrie s úzkými tolerancemi
• Různé materiály, jako je nerezová ocel, titan, wolfram, chrom kobalt atd.
• Minimální ztráty šrotu a plýtvání materiálem
• Téměř čistá výroba, která snižuje obrábění
• Malé velikosti dílů od 0,005 lbs do 0,5 lbs
• Konsolidace dílů kombinací sestav
• Hladké povrchy a dobrá povrchová úprava

Omezení MIM

Některá omezení vstřikování kovů zahrnují:

• Vysoké náklady na spuštění a nástroje
• Omezený rozsah velikostí dílů
• Požadované specializované vybavení
• Vícestupňový proces s pomalejší výrobou
• Rozměrová omezení na základě charakteristik prášku
• Omezení geometrie dílů na základě toku prášku

Aplikace MIM

MIM se široce používá k výrobě malých, složitých dílů s úzkými tolerancemi v různých průmyslových odvětvích, jako jsou:

• Lékařské – ortopedické implantáty, zubní implantáty, chirurgické nástroje
• Automobilový průmysl – součásti motoru, ventily, ozubená kola
• Letectví – lopatky turbín, oběžná kola, trysky
• Elektronika – konektory, mikropřevody, stínění
• Střelné zbraně – spouště, kladiva, pojistky
• Hodinky – pouzdra hodinek, náramky, korunka
• Průmyslové – knoflíky, spojovací prvky, řezné nástroje

MIM konkuruje jiným procesům, jako je odlévání do ztraceného vosku, obrábění a lisování pro výrobu kovových dílů.

Průvodce zařízením pro vstřikování kovů

Pro každý stupeň procesu MIM je vyžadováno specializované zařízení. Zde jsou klíčové typy zařízení MIM:

Zařízení	Funkce
Podavače prášku	Přesně dávkují jemné prášky
Mixéry	Homogenně míchají prášek a pojivo
Granulátory	Tvoří vsázku do granulí pro lisování
Vstřikovací stroje	Lisují vsázku do požadovaných tvarů
Odpojovací pece	Odstraňují pojivo z lisovaných dílů
Spékací pece	Zhutňují a zpevňují kovovou strukturu
Brusky	Odstraňují vtoky, vtokové kanály a vyhlazují povrchy
Obráběcí centra	Vrtají, soustruží, frézují prvky do slinutých dílů

Pokročilá automatizace, manipulační systémy a řídicí prvky se používají k integraci procesu a maximalizaci produktivity. Zařízení musí být pečlivě vybráno na základě faktorů, jako je materiál, velikost dílu, objem výroby a požadavky na kvalitu.

Krok za krokem procesu vstřikování kovů

Zpracování MIM zahrnuje několik kroků k transformaci jemného kovového prášku na plně husté komponenty pro konečné použití.

Krok 1 – Míchání

• Kovový prášek a pojivo se důkladně smíchají v mísiči za účelem vytvoření homogenní vsázky
• Velikost částic prášku, tvar, distribuce ovlivňují tvarovatelnost a slinování
• Pojiva zajišťují tok a přilnavost během vstřikování
• Vosky, termoplasty jako PP, PE, PVC a polymery používané jako pojiva
• Míchání se provádí pomocí lopatky sigma, lopatky Z, dvojitých planetových mísičů

Krok 2 – Granulace

• Směs vsázky se granuluje na malé pelety pro vstřikování
• Zlepšuje tok materiálu a zabraňuje segregaci v hlavni
• Granulátory používají rotující čepele k řezání vsázky na stejnoměrné granule
• Tvar a velikost granulí ovlivňují hustotu balení a tvarovatelnost

Krok 3 – Vstřikování

• Granule vsázky se lisují do požadovaného tvaru a velikosti dílu
• Používá upravené vstřikovací lisy s řízenou teplotou a tlakem
• Je důležité optimalizovat parametry lisování, aby se minimalizovaly vady
• Lisované díly, nazývané zelené díly, mají daný tvar, ale žádnou pevnost

Krok 4 – Odpojování

• Pojivo se extrahuje ze zelených dílů pomocí rozpouštědla, tepelně nebo katalyticky
• Odpojování rozpouštědlem využívá kapilární působení k rozpuštění pojiva
• Tepelné odpojování rozkládá pojivo v peci
• Katalytické odpojování urychluje odstraňování pojiva pomocí katalyzátoru
• Odpojování vytváří hnědé díly s porézní strukturou kovových částic

Krok 5 – Slinování

• Hnědé díly se slinují v peci s řízenou atmosférou
• Vazby mezi kovovými částicemi se tvoří difúzí a transportem hmoty
• Téměř plné hustoty až 96-99 % se dosahuje během slinování
• Atmosféra, teplota, čas optimalizovány, aby se zabránilo vadám
• Slinovací smrštění se zohledňuje během lisování

Krok 6 – Sekundární operace

• Další kroky zpracování kovů, jako je žíhání, obrábění, vrtání, pokovování
• Žíhání zmírňuje vnitřní napětí ze slinování
• CNC obrábění odstraňuje vtoky, vyhlazuje povrchy, přidává prvky
• Pokovování a lakování se aplikují pro vylepšení nebo ochranu proti korozi

Proces MIM umožňuje složité, vysoce přesné kovové díly kombinací výhod vstřikování plastů a práškové metalurgie.

Úvahy o návrhu dílů MIM

MIM umožňuje geometrické svobody, které nejsou možné při obrábění, ale vyžaduje určité úvahy o návrhu:

• Tloušťka stěny – Typický rozsah 0,3 – 4,0 mm s některými prášky podporujícími stěny až do 6 mm
• Povrchová úprava – Hladší povrchová úprava než odlévání, ale ne tak jemná jako obrábění; Hodnota Ra 1 – 4 μm je typická pro MIM
• Rozměrové tolerance – ±0,1 % až ±0,5 % na základě geometrie dílu s možnou přesností na úrovni mikronů
• Hustota – Plné hustoty až 99 % lze dosáhnout s optimalizovaným slinováním
• Geometrie – Zamezení zachycení prášků a umožnění úniku pojiva je zásadní
• Úhly ponoru – Zúžené stěny se zkosením 1-3° pro usnadnění vyhazování dílů
• Rádiusy a zaoblení – Postupné přechody jsou preferovány před ostrými rohy
• Otvory a dutiny – Minimální průměry 0,25 – 0,5 mm pro průchozí otvory
• Závity – Lze je lisovat, ale často se obrábějí po slinování pro lepší přesnost
• Detaily povrchu – Omezte jemné detaily, abyste snížili opotřebení formy; procesy po lisování mohou vylepšit

Návrh MIM by se měl zaměřit na geometrii, která maximalizuje výkon spíše než snadnost výroby. Proces umožňuje konsolidaci sestav z více dílů do jednoho dílu s významnými úsporami nákladů a hmotnosti.

Materiály používané při vstřikování kovů

MIM může vyrábět díly z široké škály kovů, slitin a keramiky v různých průmyslových odvětvích.

Materiál	Aplikace	Vlastnosti
Nerezová ocel	Lékařské, střelné zbraně, námořní	Odolnost proti korozi, pevnost
Nízkolegovaná ocel	Automobilový průmysl, průmysl	Magnetická odezva, obrobitelnost
Měkké magnetické slitiny	Senzory, akční členy	Vysoká propustnost
Slitiny tvrdých kovů	Řezné nástroje	Odolnost proti opotřebení, tvrdost
Slitiny mědi	Elektronika, tepelné	Elektrická vodivost
Slitiny hliníku	Elektrické, tepelné	Lehká, vodivost
Slitiny titanu	Letecký a automobilový průmysl	Síla, biokompatibilita
Slitiny wolframu	Radiační stínění	Vysoká hustota
Cermety	Elektronika, optika	Odolnost proti oxidaci

Faktory jako funkce dílu, náklady, kroky následného zpracování a kompatibilita slitin určují ideální volbu materiálu MIM.

Dodavatelé MIM a výrobci zařízení

Mnoho společností nabízí materiály, služby, výrobu a zařízení MIM globálně. Zde jsou někteří z hlavních dodavatelů MIM v celém hodnotovém řetězci:

Společnost	Produkty/Služby
BASF	Vsázky, pojiva
Sandvik Osprey	Kovové prášky
Höganäs	Kovové prášky
Prášek CNPC	Kovové prášky
Indo-Mim	Produkty a služby MIM
MPP	Produkty a služby MIM
ARC Group	Produkty a služby MIM
Atlas Pressed Metals	Výroba dílů MIM
Epson Atmix	Zařízení MIM
Milacron	Vstřikovací stroje
Elnik	Spékací pece
TCN	Odpojovací, slinovací pece

Existuje také mnoho menších regionálních hráčů zapojených do celého dodavatelského řetězce MIM. Koncoví uživatelé, kteří chtějí přijmout MIM, se mohou spojit s dodavateli materiálů a smluvními výrobci v závislosti na požadovaných schopnostech.

Analýza nákladů na díly MIM vs. alternativy

Zde je srovnání odhadovaných nákladů na výrobu 1000 dílů pomocí různých výrobních procesů:

Proces	Náklady na nastavení	Náklady na stroj	Náklady na nástroje	Náklady na díl	Celkem (1000 dílů)
CNC obrábění	Nízký	$100,000	$2,000	$50	$52,000
Investiční odlévání	Vysoký	$500,000	$40,000	$20	$60,000
Vstřikování kovů	Vysoký	$750,000	$100,000	$15	$115,000
Lisování	Vysoký	$1,000,000	$150,000	$10	$160,000

• CNC obrábění má nízké objemy, vysoké náklady na díly, omezenou složitost
• Odlévání do ztraceného vosku je lepší pro objemy do 10 000 kusů
• MIM má výhodu pro střední až vysoké objemy se složitou geometrií
• Lisování má velmi vysoké náklady na nástroje, ale nejnižší cenu dílu ve velkých objemech nad 100 tisíc dílů

Bod překřížení, kde se MIM stává ekonomičtějším než jiné procesy, závisí na objemech, složitosti a velikosti.

Výběr dodavatele nebo partnera MIM

Výběr kompetentního dodavatele MIM nebo výrobního partnera je zásadní pro nákladově efektivní výrobu dílů. Zde jsou klíčové úvahy:

• Technické znalosti –
• Systémy kvality – Certifikace ISO 9001, postupy kontroly kvality
• Výrobní kapacita – Schopnost splnit současné i budoucí požadavky na objem výroby
• Sekundární procesy – Možnosti obrábění, lisování, pokovování, lakování
• Optimalizace dílů – Podpora návrhu pro MIM pro maximalizaci výhod
• Vytváření prototypů – Služby rychlého prototypování pro ověření návrhů
• Možnosti výroby nástrojů – Upřednostňuje se návrh a výroba nástrojů ve vlastní režii
• Přístup k surovinám – Zavedené dodavatelské kanály pro vsázkové materiály
• Schopnosti výzkumu a vývoje – Probíhající výzkum a vývoj v oblasti pokročilých materiálů a výrobních technik
• Zaměření na zákazníka – Reakce na potřeby a přístup ke spolupráci
• Nákladová struktura – Cenový model a konkurenceschopnost pro předpokládané objemy
• Logistika – Schopnost spolehlivě dodávat díly při splnění požadavků na dodací lhůty

Upřednostnění těchto faktorů pomůže identifikovat správného strategického partnera pro MIM pro konkrétní aplikaci.

Instalace zařízení MIM

Pro společnosti instalující možnosti MIM ve vlastní režii je zásadní správná instalace zařízení. Zde jsou klíčové aspekty:

• Pro linku MIM je zapotřebí podlahová plocha přibližně 2000–5000 čtverečních stop
• Požaduje se stabilní napájení s kapacitou 200–600 kVA
• Potrubí se stlačeným vzduchem dimenzované na tlak 100 psi
• Odsávání pro teplo, emise a zachycování prachu
• Inženýrské sítě jako dusík, procesní voda a dodávky plynu
• Regulace teploty a vlhkosti kolem 20±3 °C, 50±20 %
• Mezipatra, plošiny pro instalaci pomocných zařízení
• Systémy manipulace s materiálem, jako jsou kladkostroje, vysokozdvižné vozíky, nádoby
• Řídicí místnost, počítačové systémy pro monitorování
• Školení personálu v oblasti bezpečnosti procesů a obsluhy zařízení
• Simulace procesů, zkušební provoz pro ověření instalace
• Plány kalibrace a preventivní údržby

Dostatečný prostor, inženýrské sítě a řízené podmínky jsou nezbytné pro plynulý provoz zařízení MIM. Důkladné testování a školení připravuje na skutečnou výrobu.

Údržba zařízení MIM

Důsledná údržba zlepšuje provozuschopnost a výkon výrobního zařízení MIM. Klíčové aspekty:

• Dokumentovaný plán preventivní údržby pro každý stroj
• Denní čištění rozlitých materiálů, úniků, prachu, nečistot
• Kontrola hladin kapalin, úniků, neobvyklých zvuků, vibrací
• Monitorování tlaků, teplot, spotřeby energie
• Testování topných, chladicích a řídicích systémů
• Výměna opotřebovaných dílů, jako jsou síta, šrouby, válce
• Kontroly únavy součástí, poškození, vyrovnání
• Pravidelné generální opravy a revize na základě provozních hodin
• Sledování protokolů údržby pro analýzu
• Skladování zásob náhradních dílů pro kritické součásti
• Školení o správném provozu a bezpečnosti zařízení
• Včasný servis a podpora od dodavatelů zařízení

Dobře vyškolený personál a spolupráce s dodavateli zařízení pomáhá maximalizovat produktivitu zařízení MIM a minimalizovat prostoje.

Simulační software pro vstřikování kovů

Simulační software se používá k digitálnímu modelování procesu MIM před skutečnou výrobou. Mezi výhody patří:

• Predikce vzorců plnění formy a optimalizace umístění vtoků
• Identifikace spojovacích linií a vzduchových pastí, aby se zabránilo vadám
• Studium teplotních gradientů a ztuhnutí ve složitých geometriích
• Simulace účinků odstraňování pojiva a slinování na konečný tvar
• Ověření návrhů nástrojů před výrobou
• Snížení nákladů na zkoušky prostřednictvím virtuálního prototypování
• Školení personálu prostřednictvím vizuálních reprezentací

Některé komerční simulační balíčky MIM zahrnují:

• MIMSIM – Integrovaná simulace pro lisování a slinování
• Sigma Soft – 3D FEM analýza plnění formy a deformace
• Netzsch MIMPre – Modelování reologických vlastností vsázkových materiálů MIM
• Simufact Additive – Multifyzikální simulace procesů AM
• EOS PSW – Simulace zaměřená na slinování a tepelné zpracování

Použití softwaru MIM zlepšuje konzistenci procesu, optimalizuje kvalitu dílů a snižuje náklady na fyzické prototypování. Upřednostňuje se integrovaný pracovní postup od simulace k výrobě.

Odstraňování běžných vad MIM

Některé typické vady v dílech MIM a potenciální příčiny:

Defekt	Příčiny
Nedolisky	Nízký vstřikovací tlak, předčasné ztuhnutí
Otřepy	Přeplněné formy, poškození formy
Deformace	Nerovnoměrné chlazení, problémy s pojivem
Trhliny	Rychlé slinování, vysoký obsah pojiva
Pórovitost	Špatná homogenizace, zachycené plyny
Kontaminace	Křížová kontaminace, atmosféra pece
Rozměrové odchylky	Problémy s vsázkovým materiálem, opotřebení formy, smršťování
Povrchové vady	Pórovitost plynů, křehnutí kapalného kovu
Zahrnutí	Kontaminované suroviny, ucpání trysky

Měla by se použít systematická metodika analýzy vad k izolaci parametrů procesu způsobujících vady a k přijetí nápravných opatření, jako je úprava složení vsázkového materiálu, parametrů lisování, profilů odstraňování pojiva a slinování.

Výhody technologie MIM

MIM nabízí významné výhody oproti jiným přístupům k výrobě kovových dílů:

• Složitost – Možné složité 3D geometrie, konsoliduje sestavy
• Konzistence – Vysoce opakovatelný proces s nízkou variancí dílů
• Účinnost – Téměř čistá tvarová výroba s menším odpadem surovin
• Automatizace – Vysoce automatizovaný proces snižuje náklady na práci
• Flexibilita – Široká škála materiálů, jako jsou kovy, keramika, kompozity
• Kvalita – Dobrá povrchová úprava a mechanické vlastnosti
• Produktivita – Vysoký objem výstupu s nízkými náklady na díl
• Miniaturizace – Mikrokomponenty s detaily až do 10 μm
• Udržitelnost – Energetická účinnost ve srovnání s obráběním
• Náklady – Nižší celkové náklady pro střední až vysoké objemy výroby

Jedinečné možnosti MIM vedou k přijetí v různých odvětvích, jako je automobilový průmysl, letectví, lékařství a elektronika.

Omezení vstřikování kovů

Navzdory mnoha výhodám má MIM určitá omezení:

• Vysoká počáteční investice do nástrojů
• Omezený rozsah velikostí, obvykle do 65 gramů
• Nižší přesnost než CNC obrábění
• Rizika pórovitosti vyžadující kontrolu procesu
• Omezený výběr materiálů na základě charakteristik prášku
• Bezpečnostní rizika jemných prášků
• Omezení geometrie dílů související s lisovatelností
• Potenciální variabilita mezi šaržemi
• Nižší mechanické vlastnosti než tvářené materiály
• Omezená výroba prototypů v menších objemech
• Požadavek na sekundární obrábění v mnoha aplikacích
• Potřebné specializované vybavení a vyškolení operátoři

Pro velmi vysokou přesnost nebo větší kovové díly vyráběné v malých objemech mohou být jiné procesy vhodnější než MIM.

Budoucnost vstřikování kovů

Očekává se, že MIM zaznamená silný pokračující růst, protože technologie a materiály se neustále zlepšují:

• Nové systémy pojiv pro zlepšení lisovatelnosti a pevnosti v zeleném stavu
• Nové složení vsázkových materiálů s použitím nanokompozitů
• Větší díly překračující současné limity
• Zvýšené přijetí keramiky a slitin wolframu
• Silný růst poptávky v lékařském a elektronickém sektoru
• Použití aditivní výroby k výrobě nástrojů MIM
• Automatizace pomocí robotiky a integrace Průmyslu 4.0
• Více aplikací v extrémních prostředích
• Konvergence s 3D tiskem kovů pomocí depozice vázaného kovu

Se zvýšeným výzkumem a vývojem a snadnějším přijetím se použití MIM v nadcházejících letech rychle rozšíří v různých aplikacích.

znát více procesů 3D tisku