Zrozumienie technologii MIM

Przegląd Technologia MIM

Formowanie wtryskowe metali (MIM), znane również jako formowanie wtryskowe proszków (PIM), to zaawansowany proces produkcyjny wykorzystywany do wytwarzania małych, złożonych części metalowych w dużych ilościach.

MIM łączy w sobie elastyczność projektowania i precyzję formowania wtryskowego tworzyw sztucznych z wytrzymałością i wydajnością obrabianych części metalowych. Umożliwia opłacalną produkcję skomplikowanych komponentów o dobrych właściwościach mechanicznych z zaawansowanych stopów metali.

Proces MIM rozpoczyna się od materiału wsadowego wykonanego z drobnego proszku metalicznego zmieszanego z materiałem wiążącym. Surowiec ten jest następnie wtryskiwany do formy przy użyciu sprzętu do formowania wtryskowego tworzyw sztucznych. Spoiwo utrzymuje metalowy proszek razem i zapewnia płynność podczas formowania.

Po formowaniu spoiwo jest usuwane z uformowanej zielonej części w procesie usuwania spoiwa. Usunięta część, zwana częścią brązową, jest następnie spiekana w wysokich temperaturach, co powoduje połączenie cząstek metalu w solidną metalową część o właściwościach materiałowych zbliżonych do części kutej.

MIM nadaje się do wytwarzania małych, złożonych części z różnych metali, takich jak stal nierdzewna, stale niskostopowe, stale narzędziowe, stopy magnetyczne, nadstopy, stopy tytanu i ciężkie stopy wolframu. Łączy w sobie wszechstronność formowania wtryskowego tworzyw sztucznych z elastycznością materiałową metalurgii proszków.

Kluczowe zalety technologii MIM obejmują

• Możliwość produkcji wielkoseryjnej złożonych, szczegółowych komponentów metalowych
• Produkcja w kształcie zbliżonym do siatki zmniejsza ilość odpadów i minimalizuje obróbkę skrawaniem
• Dobre właściwości mechaniczne zbliżone do materiałów kutych
• Szeroki wybór metali, w tym stal nierdzewna, stal narzędziowa, superstopy
• Umożliwia konsolidację części w pojedyncze komponenty
• Niski koszt jednostkowy ze względu na duże ilości
• Spójność i powtarzalność zautomatyzowanego procesu

Technologia MIM jest idealna dla małych, złożonych części, takich jak urządzenia medyczne, elementy broni palnej, elementy zegarków i części samochodowe, które wymagają precyzji, wytrzymałości, oszczędności i masowej skali produkcji.

Zastosowania i wykorzystanie technologii MIM

Technologia MIM jest wykorzystywana w różnych branżach do wydajnej produkcji małych, precyzyjnych części metalowych w dużych ilościach. Oto niektóre z kluczowych obszarów zastosowań i zastosowań technologii MIM:

** Zalety MIM dla konkretnych zastosowań**

• Precyzja: Idealny do miniaturowych części, takich jak urządzenia medyczne lub elementy zegarków o skomplikowanej geometrii.
• Wytrzymałość: Nadaje się do komponentów wymagających wysokiej wytrzymałości, takich jak turbosprężarki samochodowe i spusty broni palnej.
• Odporność na zużycie: Części MIM wykonane ze stopów stali narzędziowej charakteryzują się doskonałą odpornością na zużycie i długą żywotnością.
• Odporność na korozję: Części MIM ze stali nierdzewnej są odporne na korozję w przypadku narzędzi chirurgicznych wielokrotnego użytku, implantów itp.
• Wysoka twardość: MIM może produkować części o twardości powyżej 40 HRC, takie jak sztućce, narzędzia, matryce itp.
• Właściwości elektryczne: MIM jest stosowany do produkcji miękkich elementów magnetycznych, takich jak cewki indukcyjne, wirniki silników itp.
• Efektywność kosztowa: Wysokie wolumeny znacznie obniżają koszty części w porównaniu z obróbką skrawaniem.

Przewodniki po sprzęcie i narzędziach MIM

Do głównych urządzeń wykorzystywanych w procesie MIM należą wtryskarki, piece do usuwania lepiszcza i piece do spiekania. Oto przegląd tych urządzeń:

Standardy projektowania i wydajności

• ISO 21227 - Proszki do formowania wtryskowego metali
• ASTM F2885 - Proces formowania wtryskowego metali
• MPIF 35 - Normy dla surowców MIM
• ASTM E2781 - Konstrukcja próbki do próby rozciągania MIM
• ISO 2740 - Części formowane wtryskowo ze spiekanego metalu

Podział kosztów

Typowy rozkład kosztów w produkcji MIM jest następujący:

• Surowce (proszek + spoiwo): 50-60%
• Produkcja (formowanie + odwijanie + spiekanie): 25-35%
• Przetwarzanie wtórne: 5-10%
• Kontrola jakości: 2-5%
• Inżynieria (badania i rozwój, projektowanie): 2-5%

Dostawcy i ceny

Oto kilku wiodących światowych dostawców sprzętu MIM i ich przedziały cenowe:

Instalacja, obsługa i konserwacja

MIM jest procesem zautomatyzowanym, ale wymaga starannej instalacji, obsługi i konserwacji w celu uzyskania optymalnej wydajności:

Typowe czynności konserwacyjne i ich częstotliwość

Jak wybrać dostawcę MIM

Wybór kompetentnego dostawcy MIM ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dobrej jakości części na czas przy rozsądnych kosztach. Oto ważne czynniki, które należy wziąć pod uwagę:

Pytania do potencjalnych dostawców MIM

• Z jakimi materiałami i rozmiarami części masz doświadczenie?
• Czy oferujecie obróbkę wtórną, taką jak obróbka skrawaniem lub powlekanie?
• Jakie certyfikaty jakości i procedury kontroli są przestrzegane?
• Jak odbywa się obsługa wrażliwych materiałów, takich jak stopy tytanu lub węgliki wolframu?
• Jaką wielkość produkcji można niezawodnie dostarczać w skali miesiąca?
• Jak zminimalizować ilość odpadów i zmaksymalizować wydajność?
• Jaka jest zmienność wymiarów i właściwości między poszczególnymi częściami?
• Jak zostanie przeprowadzona optymalizacja projektu dla procesu MIM?
• Jakie raporty jakości i wykresy kontrolne będą dostarczane?

Porównanie MIM z innymi procesami

Porównanie MIM z innymi procesami produkcji metalu:

Zalety MIM w porównaniu z obróbką skrawaniem

• Wyższe wykorzystanie materiału przy kształcie zbliżonym do siatki
• Brak kosztownej obróbki w przypadku skomplikowanych kształtów
• Doskonałe właściwości mechaniczne
• Niższe koszty narzędzi w porównaniu do obróbki matryc
• Zautomatyzowany proces umożliwia masową produkcję
• Możliwe lepsze wykończenie powierzchni

Zalety MIM w porównaniu z odlewaniem metali

• Lepsza dokładność wymiarowa i wykończenie powierzchni
• Mniej wad, takich jak porowatość, w porównaniu z częściami odlewanymi
• Właściwości izotropowe w przeciwieństwie do odlewania kierunkowego
• Niski lub brak wypływu lub otwarcia w przeciwieństwie do odlewów
• Brak reakcji związanych ze stopieniem lub zmian składu
• Rdzenie i podcięcia możliwe w przeciwieństwie do odlewania
• Szerokie możliwości materiałowe wykraczające poza stopy odlewnicze
• Spójność właściwości z metalurgią proszków

Ograniczenia MIM w porównaniu z obróbką CNC

• Rozmiar ograniczony wydajnością wtryskarki
• Więcej czasu i kosztów związanych z oprzyrządowaniem
• Ścisłe tolerancje +/- 0,5% vs. +/- 0,1% dla obróbki CNC
• Ograniczenia geometrii a nieograniczona obróbka skrawaniem
• Niższa maksymalna osiągalna twardość w porównaniu do obróbki skrawaniem
• Obróbka wtórna często nadal jest potrzebna do osiągnięcia tolerancji

Kiedy nie używać MIM

• Bardzo duże części przekraczające możliwości sprzętu MIM
• Części wymagające bardzo wąskich tolerancji poniżej 0,5%
• Zastosowania wymagające twardości powierzchni powyżej 50 HRC
• Produkty o bardzo niskich wymaganiach ilościowych
• Komponenty o ekstremalnych współczynnikach kształtu nieodpowiednie do formowania
• Gdy nie ma czasu na optymalizację projektu dla procesu MIM
• Aplikacje wrażliwe na koszty z tańszymi opcjami produkcji

Uwagi dotyczące projektowania i modelowania MIM

Właściwy projekt części i surowca ma kluczowe znaczenie dla MIM, aby osiągnąć wymagane właściwości i wydajność. Oto kluczowe kwestie projektowe:

Etap projektowania części

• Optymalizacja grubości ścianek w celu równomiernego wypełnienia formy podczas wtrysku
• Duże promienie wewnętrzne i zaokrąglenia ułatwiają napełnianie.
• Unikanie poważnych zmian przekroju wzdłuż ścieżki przepływu
• Zaprojektowanie odpowiednich zasuw formy i kanałów dla odpowiednich wzorców przepływu.
• Dodanie wzmacniających żeber i klinów w celu uniknięcia ugięcia lub wypaczenia.
• Uwzględnienie skurczu części podczas spiekania w wymiarach początkowych
• Opracowanie prototypowych form do walidacji projektu przed pełną produkcją.

Rozwój surowców

• Dopasowanie lepkości surowca do złożoności formy w temperaturach formowania
• Zapewnienie wystarczającego załadunku proszku w celu uzyskania wymaganej gęstości spieku
• Wybór odpowiednich składników spoiwa i proporcji proszku zapewniających mieszalność
• Optymalizacja rozkładu wielkości cząstek proszku pod kątem gęstości upakowania proszku
• Dostosowanie składu surowcowego w celu usunięcia wadliwego spoiwa
• Weryfikacja właściwości surowca poprzez symulacje przepływu w formie.
• Testowanie wielu iteracji surowców w celu osiągnięcia pełnej formowalności.

Symulacja i modelowanie

• Modelowanie przepływu formy w celu optymalizacji lokalizacji bram i prowadnic
• Strukturalna metoda elementów skończonych do przewidywania wypaczeń i optymalizacji geometrii części
• Symulacje CFD dla równomiernego usuwania spoiwa i spiekania
• Modelowanie termiczne w celu zminimalizowania naprężeń szczątkowych
• Modelowanie mechaniczne maksymalizujące wytrzymałość i wydajność
• Oprogramowanie do modelowania procesów w celu badania interakcji między parametrami
• Eksperymentalna walidacja przewidywań oprogramowania za pomocą prototypowych form

Kluczowe wyniki modelowania

• Czas napełniania formy, lepkość surowca, temperatura czoła przepływu
• Przewidywanie linii spawu, pułapki powietrznej i innych wad formowania
• Przestrzenne gradienty zawartości spoiwa, temperatury i rozpuszczania
• Szybkość spiekania, gradienty gęstości, skurcz, trendy wypaczania
• Rozkład naprężeń szczątkowych, rozerwanie na gorąco i szacunki pęknięć
• Wytrzymałość mechaniczna, trwałość zmęczeniowa, analiza tolerancji uszkodzeń

Wady MIM i metody ich ograniczania

Wady mogą pojawić się w częściach MIM z powodu niezoptymalizowanego surowca, parametrów formowania lub warunków pieca. Oto typowe wady MIM i metody ich ograniczania:

Dane i trendy w branży MIM

Wielkość globalnego rynku MIM

Globalny rynek MIM został wyceniony na 1,5 mld USD w 2022 r. i przewiduje się, że osiągnie 3,1 mld USD do 2030 r., rosnąc w tempie 8,7% CAGR, napędzany popytem ze strony sektora opieki zdrowotnej, motoryzacyjnego i lotniczego.

Czynniki napędzające wzrost w branży

• Trendy w odchudzaniu w sektorach motoryzacyjnym, lotniczym i elektronicznym
• Popyt na małe, złożone komponenty metalowe w urządzeniach medycznych
• Bardziej opłacalne dzięki szerszemu zakresowi materiałów nadających się do MIM
• Automatyzacja obniżająca koszty produkcji
• Wzrost produkcji komponentów precyzyjnych
• Zwiększone zastosowanie w nowych aplikacjach, takich jak zegarmistrzostwo

Prognozowany CAGR według regionu

• Azja i Pacyfik: 9,3% CAGR
• Europa: 10,2% CAGR
• Ameryka Północna: 7,6% CAGR
• Reszta świata: 7,9% CAGR

Udział części MIM według branży

• Produkty konsumenckie: 22%
• Motoryzacja: 21%
• Broń palna: 15%
• Medical: 14%
• Przemysłowy: 13%
• Aerospace: 8%
• Inne: 7%

Trendy rozwoju technologii MIM

• Nowe systemy spoiw redukujące defekty i umożliwiające tworzenie złożonych geometrii
• Nowatorskie formuły surowców dla lepszego załadunku proszku i spiekania
• Wielomateriałowy MIM łączący różne proszki w jeden komponent
• Automatyzacja obróbki końcowej, takiej jak obróbka skrawaniem, łączenie, gwintowanie itp.
• Hybrydowe techniki MIM + wytwarzanie addytywne
• Nowe metody podgrzewania, takie jak spiekanie mikrofalowe dla szybszego przetwarzania
• Zintegrowane symulacje łączące wiele etapów fizyki i produkcji
• Zwiększone przyjęcie systemów zarządzania jakością

Podsumowanie

Kluczowe wnioski:

• MIM umożliwia produkcję na dużą skalę skomplikowanych elementów metalowych poprzez połączenie formowania wtryskowego i metalurgii proszków.
• Nadaje się do małych, złożonych, precyzyjnych części w przemyśle medycznym, broni palnej, motoryzacyjnym, lotniczym i konsumenckim.
• Korzyści obejmują kształt zbliżony do siatki, szeroki wybór materiałów, dobre właściwości mechaniczne zbliżone do materiałów kutych.
• Obejmuje formowanie materiału wsadowego, usuwanie lepiszcza i etapy spiekania przy użyciu specjalistycznego sprzętu.
• Wymagane jest doświadczenie w projektowaniu części, opracowywaniu surowców, modelowaniu procesów, kontroli wad i zarządzaniu jakością.
• Prognozowany globalny wzrost na poziomie 8,7% CAGR napędzany popytem w różnych branżach.
• Ciągły rozwój technologii w zakresie szybszego przetwarzania, większej ilości materiałów, zwiększonej automatyzacji i lepszej jakości części.

Najczęściej zadawane pytania

P: Jakie są kluczowe zalety technologii MIM?

Główne zalety MIM to:

• Zdolność do wytwarzania małych, złożonych geometrii, które nie są możliwe do uzyskania poprzez obróbkę skrawaniem lub odlewanie.
• Produkcja w kształcie zbliżonym do siatki skutkująca

P: Jaka jest typowa tolerancja dla MIM?

O: MIM może generalnie osiągnąć tolerancje +/- 0,5%, chociaż +/- 0,3% jest możliwe dla niektórych geometrii, a obróbka może być konieczna w przypadku mniejszych tolerancji.

P: Jakiego rozmiaru części mogą być produkowane przy użyciu MIM?

O: MIM może produkować części o masie od 0,1 grama do około 250 gramów. Większe części są możliwe, ale stanowią wyzwanie ze względu na ograniczenia wielkości maszyny do formowania.

P: Jak MIM wypada w porównaniu z formowaniem wtryskowym tworzyw sztucznych?

O: Podczas gdy obie metody wykorzystują sprzęt do formowania wtryskowego, MIM może produkować części metalowe, podczas gdy tworzywa sztuczne mają znacznie niższą wytrzymałość. MIM ma jednak niższe wskaźniki produkcji i wyższe koszty niż formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych.

P: Jaka obróbka cieplna jest stosowana w MIM?

O: Proces spiekania w MIM polega na podgrzaniu proszku metalu niemal do temperatury topnienia, więc dalsza obróbka cieplna zazwyczaj nie jest potrzebna. W razie potrzeby można przeprowadzić dodatkową obróbkę cieplną w celu modyfikacji właściwości.

P: Jakie materiały mogą być wykorzystywane w MIM?

O: Szeroki zakres materiałów nadaje się do MIM, w tym między innymi stale nierdzewne, stale narzędziowe, superstopy, tytan, ciężkie stopy wolframu i stopy magnetyczne. Rozwój nowych materiałów jest kluczowym obszarem badań w MIM.

P: Jak MIM wypada w porównaniu do druku 3D z metalu?

MIM może produkować większe ilości z lepszym wykończeniem powierzchni i właściwościami mechanicznymi. Druk 3D oferuje jednak większą swobodę projektowania i krótszy czas wprowadzania na rynek prototypów lub niestandardowych części.

poznaj więcej procesów druku 3D