Tecnología MIM

Visión general de Tecnología MIM

El moldeo por inyección de metales (MIM), también conocido como moldeo por inyección de polvo (PIM), es un proceso de fabricación avanzado utilizado para producir piezas metálicas pequeñas y complejas en grandes volúmenes.

El MIM combina la flexibilidad de diseño y la precisión del moldeo por inyección de plástico con la resistencia y el rendimiento de las piezas metálicas mecanizadas. Permite la producción rentable de componentes intrincados con buenas propiedades mecánicas a partir de aleaciones metálicas avanzadas.

El proceso MIM comienza con una materia prima hecha de polvo metálico fino mezclado con un material aglutinante. A continuación, esta materia prima se inyecta en un molde mediante un equipo de moldeo por inyección de plástico. El aglutinante mantiene unido el polvo metálico y le confiere fluidez para el moldeo.

Tras el moldeo, se elimina el aglutinante de la pieza verde moldeada mediante un proceso de desbobinado. La pieza sin aglutinante, denominada pieza marrón, se sinteriza a altas temperaturas, lo que fusiona las partículas metálicas en una pieza metálica sólida con propiedades similares a las de una pieza forjada.

El MIM es adecuado para fabricar piezas pequeñas y complejas utilizando diversos metales como acero inoxidable, aceros de baja aleación, aceros para herramientas, aleaciones magnéticas, superaleaciones, aleaciones de titanio y aleaciones pesadas de tungsteno. Combina la versatilidad del moldeo por inyección de plástico con la flexibilidad de materiales de la pulvimetalurgia.

Las principales ventajas de la tecnología MIM son:

• Gran capacidad de producción de componentes metálicos complejos y detallados
• Fabricación de formas casi netas que reduce los residuos y minimiza el mecanizado
• Buenas propiedades mecánicas próximas a las de los materiales forjados
• Amplia gama de metales, incluidos acero inoxidable, acero para herramientas y superaleaciones
• Permite la consolidación de piezas en componentes individuales
• Bajo coste unitario gracias a los grandes volúmenes
• Coherencia y repetibilidad del proceso automatizado

La tecnología MIM es ideal para piezas pequeñas y complejas, como dispositivos médicos, componentes de armas de fuego, componentes de relojes y piezas de automóviles, que requieren precisión, resistencia, economía y escala de producción en serie.

Aplicaciones y usos de la tecnología MIM

La tecnología MIM se utiliza en diversos sectores para fabricar piezas metálicas pequeñas de alta precisión de forma eficiente y en grandes volúmenes. Estas son algunas de las principales áreas de aplicación y usos de la tecnología MIM:

** Ventajas del MIM para aplicaciones específicas

• Precisión: Ideal para piezas en miniatura como dispositivos médicos o componentes de relojes con geometrías intrincadas.
• Resistencia: Adecuado para componentes que requieren alta resistencia, como turbocompresores de automóviles y gatillos de armas de fuego.
• Resistencia al desgaste: Las piezas MIM fabricadas con aleaciones de acero para herramientas tienen una excelente resistencia al desgaste para una larga vida útil.
• Resistencia a la corrosión: Las piezas MIM de acero inoxidable resisten la corrosión para herramientas quirúrgicas reutilizables, implantes, etc.
• Alta dureza: El MIM puede producir piezas con dureza superior a 40 HRC como cuchillería, utillaje, troqueles, etc.
• Propiedades eléctricas: El MIM se utiliza para fabricar componentes magnéticos blandos como inductores, rotores de motor, etc.
• Rentable: Los grandes volúmenes reducen sustancialmente el coste de las piezas en comparación con el mecanizado.

Guías de equipos y herramientas MIM

Los principales equipos utilizados en el proceso MIM son las máquinas de moldeo por inyección y los hornos de desbobinado y sinterización. He aquí un resumen:

Normas de diseño y rendimiento

• ISO 21227 - Polvos para el moldeo por inyección de metales
• ASTM F2885 - Proceso de moldeo por inyección de metales
• MPIF 35 - Normas para la materia prima del MIM
• ASTM E2781 - Diseño de probetas de ensayo de tracción MIM
• ISO 2740 - Piezas de moldeo por inyección de metal sinterizado

Desglose de costes

La distribución típica de costes en la producción de MIM es:

• Materias primas (polvo + aglutinante): 50-60%
• Fabricación (Moldeo + Desbobinado + Sinterizado): 25-35%
• Procesamiento secundario: 5-10%
• Control de calidad: 2-5%
• Ingeniería (I+D, Diseño): 2-5%

Proveedores y precios

Estos son algunos de los principales proveedores mundiales de equipos MIM y sus gamas de precios:

Instalación, funcionamiento y mantenimiento

El MIM es un proceso automatizado, pero requiere una instalación, un funcionamiento y un mantenimiento cuidadosos para un rendimiento óptimo:

Actividades típicas de mantenimiento y frecuencia

Cómo elegir un proveedor de MIM

Elegir un proveedor de MIM competente es fundamental para obtener piezas de buena calidad a tiempo y a un coste razonable. He aquí algunos factores importantes a tener en cuenta:

Preguntas a los posibles proveedores de MIM

• ¿Con qué materiales y tamaños de piezas tiene experiencia?
• ¿Ofrecen procesos secundarios como mecanizado o revestimiento?
• ¿Qué certificaciones de calidad y procedimientos de inspección se siguen?
• ¿Cómo se manipulan materiales sensibles como las aleaciones de titanio o los carburos de wolframio?
• ¿Qué volúmenes de producción puede entregar mensualmente de forma fiable?
• ¿Cómo se minimiza la chatarra y se maximiza el rendimiento?
• ¿Cuál es la variabilidad entre piezas en cuanto a dimensiones y propiedades?
• ¿Cómo se optimizará el diseño para el proceso MIM?
• ¿Qué informes de calidad y gráficos de control se facilitarán?

Comparación del MIM con otros procesos

Comparación entre el MIM y otros procesos de fabricación de metales:

Ventajas del MIM frente al mecanizado

• Mayor aprovechamiento del material con forma casi neta
• Sin costosos mecanizados para formas complejas
• Propiedades mecánicas superiores
• Menores costes de utillaje en comparación con el mecanizado de troqueles
• El proceso automatizado permite la producción en serie
• Posibilidad de mejores acabados superficiales

Ventajas del MIM sobre la fundición de metales

• Mejor precisión dimensional y acabado superficial
• Menos defectos como la porosidad en comparación con las piezas de fundición
• Propiedades isotrópicas a diferencia de la fundición direccional
• Poca o ninguna rebaba o abertura, a diferencia de las piezas moldeadas
• Sin reacciones relacionadas con la fusión ni cambios en la composición
• A diferencia de la fundición, es posible realizar machos y rebajes
• Amplias opciones de materiales más allá de las aleaciones moldeables
• Coherencia de las propiedades con la pulvimetalurgia

Limitaciones del MIM frente al mecanizado CNC

• Tamaño limitado por la capacidad de la máquina de moldeo por inyección
• Más tiempo y costes iniciales de utillaje
• Tolerancias estrechas +/- 0,5% frente a +/- 0,1% para mecanizado CNC
• Limitaciones geométricas frente a mecanizado sin restricciones
• Menor dureza máxima alcanzable en comparación con el mecanizado
• A menudo sigue siendo necesario un mecanizado secundario para alcanzar las tolerancias

Cuándo no utilizar el MIM

• Piezas muy grandes que superan la capacidad de los equipos MIM
• Piezas que requieren tolerancias extremadamente estrechas por debajo de 0,5%
• Aplicaciones que requieren una dureza superficial superior a 50 HRC
• Productos con requisitos de volumen muy bajos
• Componentes con relaciones de aspecto extremas inadecuadas para el moldeo
• Cuando no hay tiempo para optimizar el diseño del proceso MIM
• Aplicaciones sensibles a los costes con opciones de fabricación más baratas

Consideraciones sobre el diseño y modelado del MIM

El diseño adecuado de la pieza y de la materia prima es crucial para que el MIM consiga las propiedades y el rendimiento requeridos. Estas son las consideraciones clave para el diseño:

Fase de diseño de la pieza

• Optimizar el grosor de las paredes para un llenado uniforme del molde durante la inyección
• Incluyen generosos radios internos y filetes para facilitar el llenado
• Evitar cambios bruscos en la sección transversal a lo largo de la trayectoria del flujo
• Diseñar compuertas de molde y canales adecuados para patrones de flujo apropiados
• Añada refuerzos y refuerzos para evitar el hundimiento o el alabeo.
• Tener en cuenta la contracción de la pieza durante la sinterización en las dimensiones iniciales
• Desarrollar moldes prototipo para la validación del diseño antes de la producción completa.

Desarrollo de materias primas

• Adaptar la viscosidad de la materia prima a la complejidad del molde a las temperaturas de moldeo
• Garantizar una carga de polvo suficiente para la densidad sinterizada requerida
• Seleccionar los componentes aglutinantes y la proporción de polvo adecuados para la mezclabilidad
• Optimización de la distribución granulométrica del polvo para la densidad de empaquetamiento del polvo
• Ajustar las fórmulas de las materias primas para eliminar los defectos del ligante
• Validación de las propiedades de las materias primas mediante simulaciones del flujo del molde
• Probar múltiples iteraciones de materias primas para lograr una moldeabilidad total

Simulación y modelización

• Modelado del flujo del molde para optimizar la ubicación de las compuertas y los canales
• AEF estructural para predecir el alabeo y optimizar la geometría de la pieza
• Simulaciones CFD para la eliminación uniforme del ligante y la sinterización
• Modelado térmico para minimizar las tensiones residuales
• Modelado mecánico para maximizar la resistencia y el rendimiento
• Software de modelización de procesos para estudiar las interacciones entre parámetros
• Validación experimental de las predicciones del software mediante moldes prototipo

Principales resultados de la modelización

• Tiempo de llenado del molde, viscosidad de la materia prima, temperatura del frente de flujo
• Predicciones de líneas de soldadura, purgadores de aire y otros defectos de moldeo
• Gradientes espaciales de contenido de ligante, temperatura y disolución
• Velocidad de sinterización, gradientes de densidad, contracción, tendencias de alabeo
• Distribución de la tensión residual, desgarro en caliente y estimación de grietas
• Resistencia mecánica, vida a la fatiga, análisis de tolerancia al daño

Defectos MIM y métodos de mitigación

Pueden surgir defectos en las piezas MIM debido a la falta de optimización de la materia prima, los parámetros de moldeo o las condiciones del horno. A continuación se describen los defectos comunes del MIM y los métodos para mitigarlos:

Datos y tendencias de la industria MIM

MIM Tamaño del mercado mundial

El mercado mundial de MIM se valoró en 1.500 millones de USD en 2022 y se prevé que alcance los 3.100 millones de USD en 2030, con un crecimiento del 8,7% CAGR, impulsado por la demanda de los sectores sanitario, automovilístico y aeroespacial.

Factores de crecimiento del sector

• Tendencias en aligeramiento en los sectores automovilístico, aeroespacial y electrónico
• Demanda de componentes metálicos pequeños y complejos en dispositivos médicos
• Más viable con una gama más amplia de materiales aptos para MIM
• La automatización reduce los costes de producción
• Crecimiento de la fabricación de componentes de precisión
• Mayor adopción en aplicaciones emergentes como la relojería

TACC prevista por región

• Asia-Pacífico: 9,3% CAGR
• Europa: 10,2% TACC
• Norteamérica: 7,6% CAGR
• Resto del mundo: 7,9% TCAC

Porcentaje de piezas MIM por sector

• Productos de consumo: 22%
• Automóvil: 21%
• Armas de fuego: 15%
• Médico: 14%
• Industrial: 13%
• Aeroespacial: 8%
• Otros: 7%

Tendencias en el desarrollo de la tecnología MIM

• Nuevos sistemas aglutinantes para reducir defectos y permitir geometrías complejas
• Nuevas formulaciones de materias primas para mejorar la carga de polvo y la sinterización
• MIM multimaterial que combina diferentes polvos en un solo componente
• Automatización del procesamiento posterior, como mecanizado, unión, roscado, etc.
• Técnicas híbridas MIM + fabricación aditiva
• Nuevos métodos de calentamiento, como el sinterizado por microondas, para un procesado más rápido
• Simulaciones integradas que combinan múltiples fases físicas y de fabricación
• Mayor adopción de sistemas de gestión de la calidad

Resumen

Principales conclusiones:

• El MIM permite producir grandes volúmenes de componentes metálicos complejos combinando el moldeo por inyección y la pulvimetalurgia.
• Adecuado para piezas pequeñas, complejas y de alta precisión en las industrias médica, de armas de fuego, automovilística, aeroespacial y de consumo.
• Entre sus ventajas, cabe citar la forma casi neta, la amplia gama de materiales y las buenas propiedades mecánicas próximas a las de los materiales forjados.
• Implica el moldeo de la materia prima, el desbobinado y las fases de sinterización mediante equipos especializados.
• Requiere experiencia en diseño de piezas, desarrollo de materias primas, modelado de procesos, control de defectos y gestión de calidad.
• Se prevé un crecimiento de 8,7% CAGR en todo el mundo impulsado por la demanda en todos los sectores.
• Desarrollos tecnológicos continuos para un procesamiento más rápido, más materiales, mayor automatización y mejora de la calidad de las piezas.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuáles son las principales ventajas de la tecnología MIM?

R: Las principales ventajas del MIM son:

• Capacidad para producir geometrías pequeñas y complejas que no son posibles mediante mecanizado o fundición.
• Fabricación con forma casi neta que da lugar a

P: ¿Cuál es la capacidad de tolerancia típica del MIM?

R: Por lo general, el MIM puede alcanzar tolerancias de +/- 0,5%, aunque es posible alcanzar +/- 0,3% en algunas geometrías y puede ser necesario el mecanizado para tolerancias más estrictas.

P: ¿Qué tamaño de piezas pueden fabricarse con MIM?

R: El MIM puede producir piezas de 0,1 gramos a unos 250 gramos de masa. Se pueden fabricar piezas más grandes, pero es difícil debido a las limitaciones de tamaño de las máquinas de moldeo.

P: ¿En qué se diferencia el MIM del moldeo por inyección de plástico?

R: Aunque ambos utilizan equipos de moldeo por inyección, el MIM puede producir piezas metálicas, mientras que los plásticos tienen una resistencia mucho menor. Pero el MIM tiene índices de producción más bajos y costes más elevados que el moldeo por inyección de plásticos.

P: ¿Qué tratamiento térmico se utiliza en el MIM?

R: El proceso de sinterización del MIM implica el calentamiento hasta casi el punto de fusión del polvo metálico, por lo que no suele ser necesario ningún otro tratamiento térmico. Pueden realizarse tratamientos térmicos adicionales para modificar las propiedades.

P: ¿Qué materiales pueden utilizarse en MIM?

R: Existe una amplia gama de materiales aptos para el MIM, como aceros inoxidables, aceros para herramientas, superaleaciones, titanio, aleaciones pesadas de tungsteno y aleaciones magnéticas, entre otros. El desarrollo de nuevos materiales es un área de investigación clave en el MIM.

P: ¿En qué se diferencia el MIM de la impresión 3D en metal?

R: El MIM puede producir mayores volúmenes con mejor acabado superficial y mejores propiedades mecánicas. Pero la impresión 3D ofrece mayor libertad de diseño y plazos de comercialización más rápidos para prototipos o piezas personalizadas.

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