Porozumění technologii MIM

Přehled o Technologie MIM

Vstřikování kovů (MIM), známé také jako vstřikování prášku (PIM), je pokročilý výrobní proces používaný k výrobě malých, složitých kovových dílů ve velkých objemech.

MIM kombinuje konstrukční flexibilitu a přesnost vstřikování plastů s pevností a výkonem obráběných kovových dílů. Umožňuje nákladově efektivní výrobu složitých součástí s dobrými mechanickými vlastnostmi z pokročilých kovových slitin.

Proces MIM začíná vstupní surovinou z jemného kovového prášku smíchaného s pojivem. Tato surovina se pak vstřikuje do formy pomocí zařízení na vstřikování plastů. Pojivo drží kovový prášek pohromadě a dodává mu tekutost pro vstřikování.

Po vytvarování se pojivo z vytvarovaného zeleného dílu odstraní procesem odstraňování pojiva. Odvázaný díl, nazývaný hnědý díl, se poté slinuje za vysokých teplot, čímž se kovové částice spojí v pevný kovový díl s vlastnostmi materiálu blízkými vlastnostem kovaného dílu.

MIM je vhodný pro výrobu malých, složitých dílů z různých kovů, jako jsou nerezové oceli, nízkolegované oceli, nástrojové oceli, magnetické slitiny, superslitiny, slitiny titanu a těžké slitiny wolframu. Kombinuje univerzálnost vstřikování plastů s materiálovou flexibilitou práškové metalurgie.

Mezi hlavní výhody technologie MIM patří:

• Možnost velkosériové výroby složitých, detailních kovových součástí
• Výroba téměř čistého tvaru snižující množství odpadu a minimalizující obrábění
• Dobré mechanické vlastnosti blízké kovaným materiálům
• Široký výběr kovů včetně nerezové oceli, nástrojové oceli, superslitin
• Umožňuje konsolidaci dílů do jednotlivých komponent
• Nízké jednotkové náklady díky vysokým objemům
• Konzistence a opakovatelnost automatizovaného procesu

Technologie MIM je ideální pro malé, složité díly, jako jsou lékařské přístroje, součásti střelných zbraní, součásti hodinek a automobilové díly, které vyžadují přesnost, pevnost, hospodárnost a masovou výrobu.

Aplikace a využití technologie MIM

Technologie MIM se používá v různých průmyslových odvětvích k efektivní výrobě malých, vysoce přesných kovových dílů ve velkých objemech. Zde jsou některé z klíčových oblastí použití a využití technologie MIM:

** Výhody MIM pro specifické aplikace**

• Přesnost: Ideální pro miniaturní díly, jako jsou lékařské přístroje nebo součásti hodinek se složitou geometrií.
• Síla: Vhodné pro součásti vyžadující vysokou pevnost, jako jsou automobilová turbodmychadla a spouště střelných zbraní.
• Odolnost proti opotřebení: MIM díly vyrobené ze slitin nástrojové oceli mají vynikající odolnost proti opotřebení pro dlouhou životnost.
• Odolnost proti korozi: Odolnost proti korozi: díly MIM z nerezové oceli odolávají korozi pro opakované použití chirurgických nástrojů, implantátů atd.
• Vysoká tvrdost: MIM může vyrábět díly s tvrdostí nad 40 HRC, jako jsou příbory, nástroje, zápustky atd.
• Elektrické vlastnosti: MIM se používá k výrobě měkkých magnetických součástek, jako jsou induktory, rotory motorů atd.
• Nákladově efektivní: Velké objemy výrazně snižují náklady na díl v porovnání s obráběním.

Průvodci zařízením a nástroji MIM

Mezi hlavní zařízení používaná v procesu MIM patří vstřikovací stroje, odbedňovací a spékací pece. Zde je jejich přehled:

Normy pro navrhování a výkon

• ISO 21227 - Prášky pro vstřikování kovů
• ASTM F2885 - Proces vstřikování kovů
• MPIF 35 - Normy pro MIM suroviny
• ASTM E2781 - Návrh zkušebních vzorků pro tahové zkoušky MIM
• ISO 2740 - Vstřikované díly ze slinutého kovu

Rozdělení nákladů

Typické rozložení nákladů při výrobě MIM je následující:

• Suroviny (prášek + pojivo): 50-60%
• Výroba (lisování + odbedňování + spékání): 25-35%
• Sekundární zpracování: 5-10%
• Kontrola kvality: 2-5%
• Inženýrství (výzkum a vývoj, design): 2-5%

Dodavatelé a ceny

Zde jsou uvedeni někteří přední světoví dodavatelé zařízení MIM a jejich cenové rozpětí:

Instalace, provoz a údržba

MIM je automatizovaný proces, který však vyžaduje pečlivou instalaci, provoz a údržbu, aby byl optimálně výkonný:

Typické činnosti údržby a jejich četnost

Jak vybrat dodavatele MIM

Výběr kompetentního dodavatele MIM je rozhodující pro získání kvalitních dílů včas a za rozumnou cenu. Zde jsou důležité faktory, které je třeba zvážit:

Otázky pro potenciální dodavatele MIM

• S jakými materiály a velikostmi dílů máte zkušenosti?
• Nabízíte sekundární zpracování, jako je obrábění nebo povrchová úprava?
• Jaké certifikace kvality a kontrolní postupy jsou dodržovány?
• Jak se manipuluje s citlivými materiály, jako jsou slitiny titanu nebo karbidy wolframu?
• Jaké objemy výroby můžete spolehlivě dodávat měsíčně?
• Jak se minimalizuje zmetkovitost a maximalizují výnosy?
• Jaká je variabilita rozměrů a vlastností jednotlivých dílů?
• Jak bude probíhat optimalizace návrhu pro proces MIM?
• Jaké zprávy o kvalitě a kontrolní diagramy budou poskytnuty?

Srovnání MIM s jinými procesy

Srovnání MIM s jinými postupy výroby kovů:

Výhody MIM oproti obrábění

• Vyšší využití materiálu s téměř čistým tvarem
• Žádné nákladné obrábění složitých tvarů
• Vynikající mechanické vlastnosti
• Nižší náklady na nástroje v porovnání s obráběním lisovacích forem
• Automatizovaný proces umožňuje hromadnou výrobu
• Možnost lepší povrchové úpravy

Výhody MIM oproti odlévání kovů

• Lepší rozměrová přesnost a kvalita povrchu
• Méně vad, jako je pórovitost, ve srovnání s odlitky.
• Izotropní vlastnosti na rozdíl od směrového lití
• Nízký nebo žádný otřep nebo otevření na rozdíl od odlitků
• Žádné reakce související s taveninou nebo změny složení
• možnost použití jader a podřezů na rozdíl od odlévání
• Široké možnosti materiálů nad rámec slitin
• Konzistence vlastností s práškovou metalurgií

Omezení MIM oproti CNC obrábění

• Velikost omezená kapacitou vstřikovacího stroje
• Více počátečního času a nákladů na nástroje
• Těsné tolerance +/- 0,5% oproti +/- 0,1% u CNC obrábění.
• Omezení geometrie vs. neomezené obrábění
• Nižší maximální dosažitelná tvrdost ve srovnání s obráběním
• Pro dosažení tolerancí je často nutné sekundární obrábění.

Kdy MIM nepoužívat

• Velmi velké díly přesahující kapacitu zařízení MIM
• Díly vyžadující extrémně úzké tolerance pod 0,5%
• Aplikace vyžadující tvrdost povrchu nad 50 HRC
• Výrobky s velmi nízkými požadavky na objem
• Komponenty s extrémními poměry stran nevhodné pro lisování
• Když není čas na optimalizaci návrhu pro proces MIM
• Nákladově citlivé aplikace s levnějšími možnostmi výroby

Úvahy o návrhu a modelování MIM

Správná konstrukce dílů a vstupních surovin je pro MIM klíčová, aby bylo dosaženo požadovaných vlastností a výkonu. Zde jsou uvedeny klíčové aspekty návrhu:

Fáze návrhu dílu

• Optimalizace tloušťky stěn pro rovnoměrné plnění formy během vstřikování
• Obsahují velké vnitřní poloměry a filety pro snadnější plnění.
• Vyhněte se výrazným změnám průřezu podél průtočné trasy.
• Navrhněte správné vtoky do formy a vtokové ústrojí pro vhodné průtokové vzory.
• Přidejte zpevňující žebra a klíny, abyste zabránili prohýbání nebo deformaci.
• Zohlednění smrštění dílu během spékání v počátečních rozměrech.
• Vývoj prototypových forem pro ověření designu před plnou výrobou.

Vývoj surovin

• Sladění viskozity vstupních surovin se složitostí formy při teplotách lisování.
• Zajistěte dostatečnou dávku prášku pro požadovanou hustotu spékání.
• Výběr vhodných složek pojiva a poměru prášku pro míchatelnost
• Optimalizace distribuce velikosti částic prášku pro hustotu balení prášku
• Úprava složení vstupních surovin pro odstranění pojiva bez vad
• Ověření vlastností vstupních surovin pomocí simulací toku ve formě
• Testování více iterací vstupních surovin pro dosažení plné formovatelnosti

Simulace a modelování

• Modelování proudění ve formě pro optimalizaci umístění vrat a vtoků
• Konstrukční metody konečných prvků pro předpověď deformací a optimalizaci geometrie dílů
• Simulace CFD pro rovnoměrné odstraňování pojiva a spékání
• Tepelné modelování pro minimalizaci zbytkových napětí
• Mechanické modelování pro maximalizaci pevnosti a výkonu
• Software pro modelování procesů ke studiu interakcí mezi parametry
• Experimentální ověření softwarových předpovědí pomocí prototypových forem

Klíčové výstupy modelování

• Doba plnění formy, viskozita vstupní suroviny, teplota čela toku
• Svařovací linka, vzduchový lapač a další předpovědi vad výlisků
• Prostorové gradienty obsahu pojiva, teploty a rozpouštění
• Rychlost spékání, gradienty hustoty, smršťování, trendy deformace
• Rozložení zbytkového napětí, odhady trhlin za tepla a trhlin
• Mechanická pevnost, únavová životnost, analýza tolerance poškození

Vady MIM a metody jejich zmírnění

Vady mohou u dílů MIM vznikat v důsledku neoptimalizované vstupní suroviny, parametrů tváření nebo podmínek v peci. Zde jsou uvedeny běžné vady MIM a metody jejich zmírnění:

Údaje a trendy v odvětví MIM

Velikost globálního trhu MIM

Celosvětový trh s MIM byl v roce 2022 oceněn na 1,5 miliardy USD a předpokládá se, že do roku 2030 dosáhne 3,1 miliardy USD, přičemž poroste tempem 8,7% CAGR, a to díky poptávce ze zdravotnictví, automobilového a leteckého průmyslu.

Hnací síly růstu odvětví

• Trendy v odlehčování v automobilovém a leteckém průmyslu a elektronice
• Poptávka po malých, složitých kovových součástkách ve zdravotnických prostředcích
• Větší životaschopnost díky širší škále materiálů vhodných pro MIM
• Automatizace snižuje výrobní náklady
• Růst výroby přesných součástí
• Větší rozšíření v nově vznikajících aplikacích, jako je hodinářství.

Předpokládané CAGR podle regionů

• Asie a Tichomoří: 9,3% CAGR
• Evropa: 10,2% CAGR
• Severní Amerika: 7,6% CAGR
• Zbytek světa: 7,9% CAGR

Podíl dílů MIM podle odvětví

• Spotřební zboží: 22%
• Automobil: 21%
• Střelné zbraně: 15%
• Zdravotnický: 14%
• Průmyslové: 13%
• Letectví a kosmonautika: 8%
• Ostatní: 7%

Trendy ve vývoji technologie MIM

• Nové pojivové systémy pro snížení počtu defektů a umožnění komplexních geometrií
• Nové receptury vstupních surovin pro lepší nakládání a spékání prášku
• Vícemateriálový MIM kombinující různé prášky do jedné součásti
• Automatizace následného zpracování, jako je obrábění, spojování, závitování atd.
• Hybridní techniky MIM + aditivní výroba
• Nové metody ohřevu, jako je mikrovlnné spékání pro rychlejší zpracování
• Integrované simulace kombinující více fyzikálních a výrobních kroků
• Větší zavádění systémů řízení kvality

Souhrn

Klíčové poznatky:

• MIM umožňuje velkosériovou výrobu složitých kovových součástí kombinací vstřikování a práškové metalurgie.
• Vhodné pro malé, složité a vysoce přesné díly ve zdravotnictví, střelných zbraních, automobilovém, leteckém a spotřebním průmyslu.
• Mezi výhody patří tvar blízký síťovému, široký výběr materiálů, dobré mechanické vlastnosti blízké kovaným materiálům.
• Zahrnuje lisování vstupních surovin, odstraňování vazby a spékání pomocí specializovaného zařízení.
• Vyžaduje odborné znalosti v oblasti konstrukce dílů, vývoje surovin, modelování procesů, kontroly vad a řízení kvality.
• Předpokládaný celosvětový růst 8,7% díky poptávce napříč průmyslovými odvětvími.
• Pokračující vývoj technologií pro rychlejší zpracování, více materiálů, vyšší automatizaci a lepší kvalitu dílů.

Nejčastější dotazy

Otázka: Jaké jsou hlavní výhody technologie MIM?

Odpověď: Hlavní výhody technologie MIM jsou:

• Možnost výroby malých, složitých geometrií, které nelze vyrobit obráběním nebo odléváním.
• Tvarově blízká výroba, která má za následek

Otázka: Jaká je typická toleranční schopnost MIM?

Odpověď: U MIM lze obecně dosáhnout tolerance +/- 0,5%, i když u některých geometrií je možné dosáhnout tolerance +/- 0,3% a pro větší tolerance může být nutné obrábění.

Otázka: Jaké velikosti dílů lze vyrábět pomocí MIM?

Odpověď: Pomocí MIM lze vyrábět díly o hmotnosti od 0,1 gramu do přibližně 250 gramů. Větší díly jsou možné, ale je to náročné vzhledem k omezením velikosti lisovacího stroje.

Otázka: Jak se MIM liší od vstřikování plastů?

Odpověď: Ačkoli se v obou případech používá vstřikovací zařízení, při MIM lze vyrábět kovové díly, zatímco plasty mají mnohem nižší pevnost. MIM má však nižší výrobní rychlost a vyšší náklady než vstřikování plastů.

Otázka: Jaké tepelné zpracování se používá při MIM?

Odpověď: Proces slinování v MIM zahrnuje zahřátí kovového prášku téměř na bod tání, takže další tepelné zpracování není obvykle nutné. Další tepelné úpravy lze provádět podle potřeby za účelem úpravy vlastností.

Otázka: Jaké materiály lze použít v MIM?

Odpověď: MIM lze použít širokou škálu materiálů, mimo jiné nerezové oceli, nástrojové oceli, superslitiny, titan, těžké slitiny wolframu a magnetické slitiny. Vývoj nových materiálů je klíčovou oblastí výzkumu v oblasti MIM.

Otázka: Jak se dá MIM srovnat s 3D tiskem z kovu?

Odpověď: Pomocí MIM lze vyrábět větší objemy s lepší povrchovou úpravou a mechanickými vlastnostmi. 3D tisk však nabízí větší volnost při navrhování a rychlejší uvedení na trh pro prototypy nebo zakázkové díly.

znát více procesů 3D tisku