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:

Průmysl	Aplikace a použití
Lékařství a stomatologie	Chirurgické nástroje, zubní implantáty, ortopedické implantáty, součásti katetrů, jehlové kanyly, rukojeti skalpelů, kleště, svorky, chirurgické spojovací materiály, chirurgické nástroje pro opakované použití.
Střelné zbraně a obrana	Spouštěče, kladívka, pojistky, vyhazovače, zásobníky, vystřelené nábojnice, střely, součásti hlavic.
Automobilový průmysl	Součásti palivového systému, převody olejového čerpadla, oběžná kola, ventily, díly turbodmychadla, díly elektroniky, součásti řízení/převodovky
Aerospace	Turbínových lopatek, oběžných kol, zubů převodovek, pouzder, součástí čerpadel, dílů motorů.
Spotřební zboží	Hodinkové součástky, šperky, příbory, nůžky, břitvy, ruční nářadí, součásti zipů.
Průmyslový hardware	Knoflíky, kování, spojovací materiál, zásuvky, konektory, postřikovače, trysky
Elektronika	Konektory, spínače, mikromotory, mikročepy, stínicí masky, induktory, magnetické rotory.

** 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:

Zařízení	Účel	Úvahy
Vstřikovací stroje	Vstřikování vstupní suroviny MIM do dutin formy za tepla a tlaku.	Upínací síla formy, vstřikovací rychlost a tlaková kapacita, přesnost a opakovatelnost, ovládací prvky a automatizace.
Pec na odstraňování pojiva	Tepelné nebo chemické odstranění pojiva z výlisků	Teplotní rozsah, kontrola atmosféry, nosnost, rovnoměrnost odvápnění.
Spékací pec	Zahřátím na teplotu blízkou bodu tání se hnědé části ztuhnou.	Rozsah teplot, řízení atmosféry, rovnoměrnost ohřevu, dávková kapacita, přednostně plně automatizované.
Formy a nástroje	Tvarové dutiny pro tvarování vstupních materiálů MIM do požadované geometrie.	Odolávají lisovacím tlakům a teplotám, precizně opracované, s dobrou povrchovou úpravou, umožňují rychlý ohřev/chlazení.
Zařízení na výrobu surovin	Smíchání kovového prášku a pojiva do homogenní suroviny pro MIM	Míchadla, regulátory teploty, peletizéry.
Sekundární zpracování	Další kroky jako obrábění, spojování, povrchová úprava	Podle potřeb dílů, jako je CNC obrábění, svařování, elektroerozivní obrábění, lakování.
Kontrola kvality	Testování vlastností vstupní suroviny, spékaných dílů	Morfologie prášku, hustota, rychlost toku, analyzátory viskozity, mechanická zkušební zařízení.
Bezpečnostní vybavení	Bezpečná manipulace s jemnými prášky	Rukavice, respirátory, systémy pro zachytávání prachu.

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:

Dodavatel	kategorie produktů	Cenové rozpětí
ARBURG	Vstřikovací stroje	$100,000 – $500,000
Indicko-americká MIM	Vstupní suroviny a služby MIM	$5 - $50 za kg
Elnik	Odvápňovací a spékací pece	$50,000 – $1,000,000
FineMIM	Komplexní výroba MIM	$0.5 - $5 na díl
Parmatech	Atomizace kovového prášku	$250,000 – $1,000,000
Meridian Technologies	Konstrukce nástrojů a forem	$5,000 – $100,000

Instalace, provoz a údržba

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

Aktivita	Podrobnosti
Instalace	Přesné seřízení vstřikovacího stroje a forem. Kalibrace regulátorů teploty. Zkušební provoz se zkušebními dávkami.
Úkon	Zajistit kontrolu kvality vstupních surovin podle norem. Zajistěte parametry procesu, jako je vstřikovací tlak, teplota a rychlost.
Údržba	Plánujte preventivní údržbu válců, šroubů a forem lisovacích strojů. Udržujte atmosféru v peci pro odstraňování nečistot. Kalibrovat přístroje.
Čištění	Dodržujte SOP pro čištění hlavně stroje po jízdě. Zajistěte, aby se v peci nebo v kanálech nehromadil prášek. Čištění forem pomocí navržených médií.
Bezpečnost	Při manipulaci s jemnými prášky používejte osobní ochranné pomůcky. Správná likvidace chemických pojiv. Před údržbou nechte pec vychladnout.
Školení	Školení obsluhy strojů a pecí o postupech. Provádějte opakovací školení o bezpečnosti a údržbě.
Optimalizace	Upravujte parametry procesu, dokud se kvalita dílu nestabilizuje v rámci specifikací. Vedení podrobných záznamů o procesu.

Typické činnosti údržby a jejich četnost

Aktivita	Frekvence
Čištění trysek vstřikovacích strojů	Po každé dávce
Leštění forem	Týdenní
Strojní čištění hlavní	Měsíční
Kontrola atmosféry v peci pro odstranění pojiva	Měsíční
Kalibrace termočlánků spékací pece	6 měsíců
Studie toku formy	Každoročně

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:

Faktor	Kritéria
Technické schopnosti	Moderní vybavení, dlouholeté zkušenosti, technické znalosti
Možnosti materiálu	Řada materiálů, jako je nerezová ocel, nástrojová ocel, slitiny wolframu.
Sekundární zpracování	Vlastní zařízení na obrábění, spojování a lakování
Systémy kvality	Certifikace ISO 9001, řízení kvality a kontrolní postupy
Výrobní kapacita	Velkoobjemová výrobní schopnost pro stabilitu
Doba realizace	Rychlá doba od návrhu po dodání
Umístění	Geografická blízkost pro efektivitu logistiky
Náklady	Cenový model - upřednostňované ceny za díl
Zákaznický servis	Reakce na dotazy, technická podpora, řízení projektů

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:

Proces	Výhody	Nevýhody
MIM	Složité geometrie, hromadná výroba, tvar blízký čistému tvaru, široký výběr materiálů	Počáteční investice do nástrojů, omezení velikosti
CNC obrábění	Materiálová flexibilita, rychlá realizace prototypů	Omezená složitost, nižší objemy
Odlévání kovů	Nízké náklady na díly, velké objemy	Tvarová omezení, nižší pevnost
Lisování kovů	Vysoká rychlost, velké objemy, nízké náklady	Vhodné pouze pro 2D geometrie
3D tisk	Svoboda designu, rychlé prototypování	Nižší pevnost, vyšší náklady, omezené rozměry a materiály

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:

Defekt	Základní příčiny	Metody zmírnění
Povrchové vady	Nízká teplota formy, vysoké tření, součásti pojiva	Optimalizujte leštění forem, používejte prostředky pro uvolňování forem, postupně snižujte teplotu forem.
Svařovací linky	Nežádoucí fronty toku surovin	Optimalizace konstrukce vrat a kanálů pomocí modelování, aby se zabránilo vzniku svarových linií.
Deformace	Nerovnoměrný ohřev v peci, zbytková napětí	Optimalizace struktury, snížení napětí před spékáním, optimalizované nastavení pece
Trhliny	Rychlé spékání, vysoký obsah pojiva, strmý tepelný spád	Snížení rychlosti ohřevu, optimalizace systému pojiva, změna konstrukce
Pórovitost	Nízká dávka prášku v surovině, špatné míchání	Zvýšení obsahu prášku v surovinách, zlepšení procesu míchání
Rozměrová odchylka	Nestejnoměrné smršťování, opotřebení formy, gradienty hustoty	Statistické řízení procesů, údržba forem, optimalizace odbedňování a slinování
Kontaminace	Špatná manipulace, kontrola atmosféry v peci	Správné osobní ochranné prostředky, zlepšení vzduchových filtrů, prevence křížové kontaminace v pecních dávkách
Neúplné plnění	Vysoká teplota formy, vysoká viskozita	Zvýšení teploty formy a vstupní suroviny, použití pojiva s nižší viskozitou

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