Понятие литья металлов под давлением (MIM)

Литье металлов под давлением (MIM) - это производственный процесс, используемый для изготовления небольших сложных металлических деталей с жесткими допусками. MIM сочетает в себе универсальность литья пластмасс под давлением с прочностью и целостностью обработанных металлов. В данной статье представлен подробный обзор технологии MIM, областей применения, оборудования, технологического процесса, конструкторских соображений и т.д.

Обзор литья металлов под давлением

Литье металлов под давлением - это процесс порошковой металлургии, позволяющий производить в больших объемах небольшие прецизионные металлические детали методом литья под давлением.

Принцип работы MIM

Процесс MIM предполагает смешивание мелкого металлического порошка со связующим материалом для получения исходного материала, который может быть впрыснут в пресс-формы. Отформованные детали, называемые "зелеными", затем спекаются для удаления связующего и объединения металлического порошка в твердую структуру. Основными этапами являются:

• Смешивание - Мелкий металлический порошок смешивается со связующими для получения однородного сырья
• Литье под давлением - Сырье расплавляется и впрыскивается в пресс-форму для формирования деталей зеленого цвета
• Облицовка - Связующее удаляется с помощью растворителя, термического или каталитического дебридинга
• Агломерация - Забракованные детали подвергаются спеканию для уплотнения и упрочнения структуры металла
• Вторичные операции - Дополнительные отделочные операции, такие как механическая обработка, сверление, нарезание резьбы и т.д.

Преимущества MIM

MIM обладает рядом преимуществ по сравнению с другими технологиями производства:

• Высокосерийное производство с низкой стоимостью одной детали
• Сложные геометрические формы с жесткими допусками
• Разнообразие материалов, таких как нержавеющая сталь, титан, вольфрам, кобальт-хром и др.
• Минимальные потери лома и отходы материалов
• Изготовление сетки вблизи формы, уменьшающей механическую обработку
• Малые размеры деталей от 0,005 до 0,5 фунтов
• Консолидация деталей путем объединения узлов
• Гладкие поверхности и хорошая отделка

Ограничения MIM

К числу ограничений литья металлов под давлением относятся:

• Высокие затраты на пусконаладочные работы и оснастку
• Ограниченный диапазон размеров деталей
• Требуется специализированное оборудование
• Многоступенчатый процесс с замедленным производством
• Ограничения по размерам в зависимости от характеристик порошка
• Ограничения на геометрию детали, основанные на расходе порошка

Области применения MIM

MIM широко используется для изготовления небольших сложных деталей с жесткими допусками в таких отраслях, как:

• Медицина - ортопедические имплантаты, зубные имплантаты, хирургические инструменты
• Автомобильная промышленность - компоненты двигателей, клапаны, редукторы
• Аэрокосмическая промышленность - лопатки турбин, крыльчатки, сопла
• Электроника - разъемы, микросхемы, экранирование
• Огнестрельное оружие - спусковые крючки, молотки, предохранители
• Часы - корпуса, браслеты, заводные головки
• Промышленность - ручки, крепеж, режущий инструмент

При производстве металлических деталей MIM конкурирует с другими процессами, такими как литье по выплавляемым моделям, механическая обработка и штамповка.

литье металлов под давлением Справочник по оборудованию

Для каждого этапа MIM-процесса требуется специализированное оборудование. Вот основные типы оборудования для MIM:

Для интеграции процесса и достижения максимальной производительности используются современные средства автоматизации, системы перемещения и управления. Оборудование должно быть тщательно подобрано с учетом таких факторов, как материал, размер детали, объем производства и требования к качеству.

Процесс литья металлов под давлением Шаг за шагом

MIM-технология включает в себя несколько этапов превращения мелкого металлического порошка в полностью плотные компоненты конечного использования.

Шаг 1 - Смешивание

• Металлический порошок и связующее тщательно перемешиваются в смесителе с получением однородного сырья
• Размер, форма и распределение частиц порошка влияют на его формуемость и спекаемость
• Связующие вещества обеспечивают текучесть и адгезию при литье под давлением
• Воски, термопласты, такие как ПП, ПЭ, ПВХ, и полимеры, используемые в качестве связующих веществ
• Смешивание осуществляется с помощью сигма-лопастей, Z-лопастей, двойных планетарных смесителей

Этап 2 - Грануляция

• Сырьевая смесь гранулируется в мелкие гранулы для литья под давлением
• Улучшает поток материала и предотвращает сегрегацию в стволе
• Грануляторы используют вращающиеся ножи для измельчения сырья на однородные гранулы
• Форма и размер гранул влияют на плотность упаковки и возможность формования

Этап 3 - Литье под давлением

• Гранулы исходного сырья формуются в детали требуемой формы и размера
• Используются модифицированные термопластавтоматы с контролируемой температурой и давлением
• Важно оптимизировать параметры формовки для минимизации дефектов
• Отформованные детали, называемые "зелеными", имеют приданную форму, но не обладают прочностью

Этап 4 - Обвязка

• Связующее вещество извлекается из зеленых частей с помощью растворителя, термическим или каталитическим способом
• Для растворения связующего вещества используется капиллярное действие
• При термическом дебридинге связующее разлагается в печи
• Каталитическое дебридинг ускоряет удаление связующего с помощью катализатора
• При обдирке образуются детали коричневого цвета с пористой структурой из металлических частиц

Этап 5 - спекание

• Коричневые детали спекаются в печи с контролируемой атмосферой
• Связи между металлическими частицами образуются за счет диффузии и массопереноса
• В процессе спекания достигается практически полная плотность до 96-99%
• Атмосфера, температура, время оптимизированы для исключения дефектов
• Учет усадки при спекании в процессе формования

Шаг 6 - Вторичные операции

• Дополнительные операции металлообработки, такие как отжиг, механическая обработка, сверление, нанесение покрытия
• Отжиг снимает внутренние напряжения, возникающие при спекании
• При обработке на станках с ЧПУ удаляются литники, выравниваются поверхности, добавляются элементы
• Нанесение покрытий и окраска для усиления или защиты от коррозии

Процесс MIM позволяет создавать сложные высокоточные металлические детали, сочетая преимущества литья пластмасс под давлением и порошковой металлургии.

Конструктивные соображения для деталей, изготовленных по технологии MIM

MIM обеспечивает геометрические свободы, недоступные при механической обработке, но требует определенных конструктивных решений:

• Толщина стенки - Типичный диапазон 0,3 - 4,0 мм, некоторые порошки выдерживают стенки толщиной до 6 мм
• Обработка поверхности - Более гладкое покрытие, чем при литье, но не такое тонкое, как при механической обработке; значение Ra 1 - 4 мкм типично для MIM
• Допуски на размеры - ±0,1% - ±0,5% в зависимости от геометрии детали с возможной точностью на микронном уровне
• Плотность - Полная плотность до 99% может быть достигнута при оптимизированном спекании
• Геометрия - Очень важно избежать попадания порошка в ловушку и обеспечить выход связующего вещества
• Черновые углы - Конические стенки с углами осадки 1-3° для облегчения выталкивания деталей
• Радиусы и филе - Постепенные переходы предпочтительнее острых углов
• Отверстия и полости - Минимальный диаметр сквозных отверстий 0,25 - 0,5 мм
• Нитки - Может быть изготовлен методом литья, но для повышения точности часто подвергается механической обработке после спекания
• Детали поверхности - Ограничение мелких деталей для уменьшения износа пресс-формы; процессы после формования могут улучшить

При разработке MIM-конструкций основное внимание должно уделяться геометрии, обеспечивающей максимальную производительность, а не простоте изготовления. Этот процесс позволяет объединять многокомпонентные сборки в одну деталь со значительным снижением стоимости и массы.

Материалы, используемые при литье металлов под давлением

MIM позволяет изготавливать детали из широкого спектра металлов, сплавов и керамики в различных отраслях промышленности.

Такие факторы, как назначение детали, стоимость, этапы последующей обработки и совместимость сплавов, определяют идеальный выбор материала для MIM.

Поставщики и производители оборудования для MIM

Многие компании предлагают материалы, услуги, производство и оборудование для MIM по всему миру. Вот некоторые из основных поставщиков MIM по всей цепочке создания стоимости:

Кроме того, в цепочке поставок MIM участвует множество мелких региональных игроков. Конечные пользователи, желающие внедрить MIM, могут сотрудничать с поставщиками материалов и контрактными производителями в зависимости от требуемых возможностей.

Анализ стоимости MIM-деталей в сравнении с альтернативными вариантами

Приведем сравнение расчетных затрат на изготовление 1000 деталей с использованием различных технологических процессов:

• Обработка с ЧПУ имеет малые объемы, высокую стоимость деталей, ограниченную сложность
• Литье по выплавляемым моделям лучше при объемах до 10 000 единиц
• MIM имеет преимущество при средних и больших объемах производства со сложной геометрией
• Штамповка имеет очень высокую стоимость оснастки, но при больших объемах, превышающих 100 тыс. деталей, имеет самую низкую цену.

Точка пересечения, когда MIM становится экономичнее других процессов, зависит от объемов, сложности и размеров.

Выбор поставщика или партнера по MIM

Выбор компетентного MIM-поставщика или производственного партнера имеет решающее значение для экономически эффективного производства деталей. Вот основные соображения:

• Техническая экспертиза - Опыт работы с аналогичными MIM-деталями, материалами, промышленностью
• Системы качества - Сертификация ISO 9001, практика контроля качества
• Производственные мощности - Способность удовлетворять текущие и будущие потребности в объемах
• Вторичные процессы - Возможности механической обработки, штамповки, нанесения покрытий, окраски
• Оптимизация деталей - Проектирование с учетом поддержки MIM для получения максимальных преимуществ
• Прототипирование - Услуги по быстрому созданию прототипов для проверки проектов
• Инструментальные возможности - Предпочтение отдается проектированию и изготовлению оснастки на собственном производстве
• Доступ к сырью - Налаженные каналы поставок сырья
• Возможности в области НИОКР - Постоянно ведутся исследования и разработки в области передовых материалов и технологий производства
• Клиентоориентированность - Реагирование на потребности и подход к сотрудничеству
• Структура затрат - Модель ценообразования и конкурентоспособность для прогнозируемых объемов
• Логистика - Способность надежно поставлять детали с соблюдением требований к срокам выполнения заказа

Приоритетность этих факторов поможет определить подходящего стратегического MIM-партнера для конкретной задачи.

Установка оборудования MIM

Для компаний, устанавливающих MIM-технологии собственными силами, правильная установка оборудования имеет огромное значение. Ниже приведены основные соображения:

• Для линии MIM требуется площадь около 2000-5000 кв. футов
• Необходим стабильный источник питания мощностью 200-600 кВА
• Линии сжатого воздуха рассчитаны на давление 100 фунтов на кв. дюйм
• Вытяжная вентиляция для удаления тепла, выбросов и пыли
• Коммунальные услуги, такие как азот, технологическая вода и газоснабжение
• Контроль температуры и влажности около 20±3 °C, 50±20%
• Мезонины, площадки для установки вспомогательного оборудования
• Системы перемещения материалов, такие как подъемники, вилочные погрузчики, бункеры
• Диспетчерская, компьютерные системы мониторинга
• Обучение персонала по вопросам безопасности технологических процессов и эксплуатации оборудования
• Моделирование процессов, тестовые испытания для подтверждения правильности установки
• Графики калибровки и профилактического обслуживания

Для бесперебойной работы оборудования MIM необходимы достаточное пространство, инженерные сети и контролируемые условия. Тщательное тестирование и обучение позволяют подготовиться к реальному производству.

Техническое обслуживание оборудования MIM

Постоянное техническое обслуживание повышает время безотказной работы и производительность оборудования для производства MIM. Ключевые аспекты:

• Документированный график профилактического обслуживания для каждого станка
• Ежедневная уборка разливов, утечек, пыли, мусора
• Проверка уровня жидкостей, наличие утечек, необычных шумов, вибраций
• Контроль давления, температуры, энергопотребления
• Тестирование систем отопления, охлаждения и управления
• Замена быстроизнашивающихся деталей, таких как сита, шнеки, бочки
• Проверки на усталость, повреждения, центровку компонентов
• Регулярные замены и капитальные ремонты в зависимости от наработки
• Отслеживание журналов технического обслуживания для анализа
• Хранение запасов запасных частей для критических компонентов
• Обучение правильной эксплуатации оборудования и технике безопасности
• Своевременное обслуживание и поддержка со стороны поставщиков оборудования

Хорошо обученный персонал и сотрудничество с поставщиками оборудования позволяют максимально повысить производительность оборудования MIM и свести к минимуму время простоя.

Программа моделирования литья металлов под давлением

Имитационное программное обеспечение используется для цифрового моделирования процесса MIM до начала реального производства. Преимущества включают:

• Прогнозирование схем заполнения пресс-форм и оптимизация расположения затворов
• Определение линий сварки и воздушных ловушек для предотвращения дефектов
• Изучение тепловых градиентов и затвердевания в сложных геометриях
• Моделирование влияния профилей дебридинга и спекания на конечную форму
• Проверка проектов оснастки перед изготовлением
• Сокращение затрат на испытания за счет создания виртуальных прототипов
• Обучение персонала с помощью визуальных представлений

К числу коммерческих пакетов моделирования MIM относятся:

• MIMSIM - Интегрированное моделирование процесса формования через спекание
• Sigma Soft - 3D МКЭ-анализ заполнения и деформации пресс-формы
• Netzsch MIMPre - Моделирование реологических свойств MIM-сырья
• Simufact Additive - Мультифизическое моделирование процессов AM
• EOS PSW - Моделирование, ориентированное на спекание и термообработку

Использование программного обеспечения MIM повышает согласованность процессов, оптимизирует качество деталей и снижает затраты на создание физических прототипов. Предпочтительно использовать интегрированный рабочий процесс моделирования и производства.

Устранение распространенных дефектов MIM

Некоторые типичные дефекты MIM-деталей и их возможные причины:

Методология систематического анализа дефектов должна использоваться для выявления параметров процесса, вызывающих дефекты, и проведения корректирующих мероприятий, таких как корректировка рецептуры сырья, параметров формования, профилей размола и спекания.

Преимущества технологии MIM

MIM обладает значительными преимуществами по сравнению с другими подходами к производству металлических деталей:

• Комплексность - Возможность создания сложных 3D-геометрий, консолидация сборок
• Последовательность - Высокая повторяемость процесса с малым отклонением деталей
• Эффективность - Изготовление практически чистой формы с меньшими отходами сырья
• Автоматизация - Высокая степень автоматизации процесса снижает трудозатраты
• Гибкость - Широкий спектр материалов, таких как металлы, керамика, композиты
• Качество - Хорошая обработка поверхности и механические свойства
• Производительность - Высокий объем производства при низкой стоимости одной детали
• Миниатюризация - Микрокомпоненты с детализацией до 10 мкм
• Устойчивое развитие - Энергоэффективность по сравнению с механической обработкой
• Стоимость - Более низкие общие затраты при средних и больших объемах производства

Уникальные возможности MIM стимулируют внедрение в таких отраслях, как автомобильная, аэрокосмическая, медицинская и электронная промышленность.

Ограничения литья металлов под давлением

Несмотря на многочисленные преимущества, MIM имеет определенные ограничения:

• Высокие первоначальные инвестиции в оснастку
• Ограниченный размерный ряд, как правило, менее 65 г
• Более низкая точность по сравнению с обработкой на станках с ЧПУ
• Риски пористости, требующие контроля технологического процесса
• Ограничение выбора материала по характеристикам порошка
• Опасности, связанные с безопасностью тонкодисперсных порошков
• Ограничения геометрии детали, связанные с возможностью формования
• Потенциальная изменчивость от участка к участку
• Более низкие механические свойства по сравнению с деформируемыми материалами
• Ограниченное производство опытных образцов в меньших объемах
• Необходимость вторичной обработки во многих областях применения
• Требуется специализированное оборудование и обученные операторы

Для очень высокоточных или крупных металлических деталей, изготавливаемых в небольших объемах, могут лучше подойти другие процессы, чем MIM.

Будущее литья металлов под давлением

Ожидается, что по мере совершенствования технологий и материалов MIM будет демонстрировать устойчивый рост:

• Новые связующие системы для улучшения формоустойчивости и экологичности
• Новые рецептуры сырья с использованием нанокомпозитов
• Крупногабаритные детали, превышающие допустимый ток
• Расширение применения керамики и вольфрамовых сплавов
• Сильный рост спроса в медицинском и электронном секторах
• Использование аддитивного производства для изготовления оснастки MIM
• Автоматизация с использованием робототехники и интеграция Индустрии 4.0
• Больше применений в экстремальных условиях
• Конвергенция с металлической 3D-печатью с использованием связанного осаждения металлов

Благодаря увеличению объемов НИОКР и упрощению внедрения, в ближайшие годы использование MIM будет быстро расти в различных областях применения.

узнать больше о процессах 3D-печати