Понимание технологии MIM

Обзор Технология MIM

Литье металла под давлением (MIM), также известное как литье порошка под давлением (PIM), - это передовой производственный процесс, используемый для изготовления небольших сложных металлических деталей в больших объемах.

MIM сочетает в себе гибкость конструкции и точность литья пластмасс под давлением с прочностью и производительностью обработанных металлических деталей. Он позволяет экономически эффективно производить сложные компоненты с хорошими механическими свойствами из современных металлических сплавов.

Процесс MIM начинается с получения исходного материала, состоящего из мелкого металлического порошка, смешанного со связующим материалом. Затем это сырье впрыскивается в форму с помощью оборудования для литья пластмасс под давлением. Связующее вещество удерживает металлический порошок вместе и придает ему текучесть при формовке.

После формовки связующее вещество удаляется из зеленой части с помощью процесса дебридинга. Отделенная часть, называемая коричневой, затем спекается при высоких температурах, в результате чего металлические частицы сплавляются вместе в цельную металлическую деталь со свойствами, близкими к свойствам кованой детали.

MIM подходит для изготовления небольших сложных деталей из различных металлов, таких как нержавеющая сталь, низколегированные стали, инструментальные стали, магнитные сплавы, суперсплавы, титановые сплавы и тяжелые сплавы вольфрама. Он сочетает в себе универсальность литья пластмасс под давлением и гибкость материалов порошковой металлургии.

Основные преимущества технологии MIM включают:

• Возможность крупносерийного производства сложных, детализированных металлических деталей
• Изготовление по форме, близкой к сетке, сокращает количество отходов и минимизирует обработку
• Хорошие механические свойства, близкие к деформируемым материалам
• Широкий выбор металлов, включая нержавеющую сталь, инструментальную сталь, суперсплавы
• Позволяет объединять части в единые компоненты
• Низкая стоимость единицы продукции благодаря большим объемам
• Последовательность и повторяемость автоматизированного процесса

Технология MIM идеально подходит для изготовления небольших сложных деталей, таких как медицинские приборы, компоненты огнестрельного оружия, детали часов и автомобильных деталей, требующих точности, прочности, экономичности и массовости производства.

Применение и использование технологии MIM

Технология MIM используется в различных отраслях промышленности для эффективного производства небольших высокоточных металлических деталей в больших объемах. Вот некоторые из основных областей применения и использования технологии MIM:

Промышленность	Применение и использование
Медицина и стоматология	Хирургические инструменты, стоматологические имплантаты, ортопедические имплантаты, компоненты катетеров, канюли для игл, рукоятки скальпелей, щипцы, зажимы, хирургические крепления, многоразовые хирургические инструменты
Огнестрельное оружие и оборона	Триггеры, молотки, предохранители, эжекторы, магазины, стреляные гильзы, снаряды, компоненты боеголовок
Автомобильная промышленность	Компоненты топливной системы, шестерни масляного насоса, крыльчатки, клапаны, детали турбокомпрессора, детали электроники, компоненты рулевого управления/трансмиссии
Аэрокосмическая промышленность	Лопасти турбин, рабочие колеса, зубья шестерен, втулки, компоненты насосов, детали двигателей
Потребительские товары	Детали часов, ювелирные украшения, столовые приборы, ножницы, бритвы, ручные инструменты, детали застежек-молний
Промышленное оборудование	Ручки, фитинги, крепеж, гнезда, соединители, разбрызгиватели, насадки
Электроника	Разъемы, переключатели, микродвигатели, микрошестерни, экранирующие маски, индукторы, магнитные роторы

** Преимущества MIM для специфических применений**.

• Точность: Идеально подходит для миниатюрных деталей, таких как медицинские приборы или компоненты часов со сложной геометрией.
• Прочность: Подходит для компонентов, требующих высокой прочности, таких как автомобильные турбокомпрессоры и спусковые крючки огнестрельного оружия.
• Износостойкость: Детали MIM, изготовленные из сплавов инструментальной стали, обладают превосходной износостойкостью, что обеспечивает длительный срок службы.
• Устойчивость к коррозии: Детали MIM из нержавеющей стали выдерживают коррозию при изготовлении многоразовых хирургических инструментов, имплантатов и т. д.
• Высокая твердость: MIM может производить детали с твердостью более 40 HRC, такие как столовые приборы, инструменты, штампы и т.д.
• Электрические свойства: MIM используется для изготовления мягких магнитных компонентов, таких как индукторы, роторы двигателей и т.д.
• Экономическая эффективность: большие объемы значительно снижают стоимость деталей по сравнению с механической обработкой.

Руководства по оборудованию и оснастке для MIM

Основное оборудование, используемое в процессе MIM, включает в себя термопластавтоматы, печи для дебридинга и спекания. Ниже представлен обзор:

Оборудование	Назначение	Соображения
Машина для литья под давлением	Впрыск сырья для MIM в полости пресс-формы под воздействием тепла и давления	Усилие смыкания пресс-формы, скорость и давление впрыска, точность и повторяемость, элементы управления и автоматизации.
Печь для удаления связующего	Для термического или химического удаления связующего из формованных деталей	Температурный диапазон, контроль атмосферы, загрузочная способность, равномерность обезжиривания.
Печь для спекания	Для придания плотности дебаунду коричневых деталей путем нагревания до температуры, близкой к температуре плавления	Диапазон температур, контроль атмосферы, равномерность нагрева, производительность партии, предпочтительна полная автоматизация.
Пресс-формы и оснастка	Формообразующие полости для придания исходному материалу MIM требуемой геометрии	Выдерживают давление и температуру формовки, точно обработаны, хорошая обработка поверхности, позволяют быстро нагревать/охлаждать.
Оборудование для производства сырья	Смешивание металлического порошка и связующего в однородную MIM-сырьевую массу	Смесители, терморегуляторы, грануляторы.
Вторичная обработка	Дополнительные операции, такие как механическая обработка, соединение, обработка поверхности	В соответствии с требованиями к деталям, например, обработка с ЧПУ, сварка, электроэрозионная обработка, нанесение покрытий.
Контроль качества	Для проверки свойств сырья и спеченных деталей	Морфология порошка, плотность, скорость потока, анализаторы вязкости, оборудование для механических испытаний.
Оборудование для обеспечения безопасности	Для безопасной работы с мелкими порошками	Перчатки, респираторы, системы сбора пыли.

Стандарты проектирования и производительности

• ISO 21227 - Порошки для литья металлов под давлением
• ASTM F2885 - Процесс литья металлов под давлением
• MPIF 35 - Стандарты на сырье для MIM
• ASTM E2781 - конструкция образцов для испытания на растяжение MIM
• ISO 2740 - Детали из спеченного металла для литья под давлением

Распределение затрат

Типичным распределением затрат при производстве MIM является:

• Сырье (порошок + связующее): 50-60%
• Производство (формовка + обдирка + спекание): 25-35%
• Вторичная обработка: 5-10%
• Контроль качества: 2-5%
• Инжиниринг (НИОКР, проектирование): 2-5%

Поставщики и ценообразование

Вот некоторые ведущие мировые поставщики оборудования для MIM и их ценовые диапазоны:

Поставщик	Категория продукта	Диапазон цен
АРБУРГ	Машины для литья под давлением	$100,000 – $500,000
Индо-американский мим	Сырье для MIM и услуги	$5 - $50 за кг
Elnik	Печи для обдирки и спекания	$50,000 – $1,000,000
FineMIM	Производство MIM из конца в конец	$0.5 - $5 за деталь
Parmatech	Распыление металлического порошка	$250,000 – $1,000,000
Meridian Technologies	Проектирование оснастки и пресс-форм	$5,000 – $100,000

Установка, эксплуатация и обслуживание

MIM - автоматизированный процесс, но для оптимальной работы он требует тщательной установки, эксплуатации и обслуживания:

Деятельность	Подробности
Установка	Точная центровка термопластавтомата и пресс-форм. Калибровка терморегуляторов. Тестовый запуск с пробными партиями.
Операция	Обеспечение контроля качества сырья в соответствии со стандартами. Обеспечение таких параметров процесса, как давление, температура и скорость впрыска.
Техническое обслуживание	Планирование профилактического обслуживания бочек, шнеков, пресс-форм формовочной машины. Поддерживать атмосферу печи для обжига. Калибровать инструменты.
Очистка	Соблюдайте СОПы по очистке ствола машины после работы. Следите за тем, чтобы порошок не скапливался в печи и каналах. Очистка пресс-форм с помощью специально разработанных средств.
Безопасность	При работе с мелкими порошками используйте средства индивидуальной защиты. Правильно утилизируйте химические связующие вещества. Дайте печи остыть перед обслуживанием.
Обучение	Обучать операторов станков и печей процедурам. Проведение занятий по повышению квалификации по технике безопасности и техническому обслуживанию.
Оптимизация	Регулируйте параметры процесса до тех пор, пока качество деталей не стабилизируется в пределах спецификаций. Ведение подробных записей процесса.

Типичные мероприятия по техническому обслуживанию и их периодичность

Деятельность	Частота
Очистка сопла машины для литья под давлением	После каждой партии
Полировка пресс-форм	Еженедельник
Очистка ствола машины	Ежемесячно
Проверка атмосферы печи для удаления связующего	Ежемесячно
Калибровка термопары печи спекания	6 месяцев
Исследования течения в пресс-форме	Ежегодно

Как выбрать поставщика MIM

Выбор компетентного поставщика MIM очень важен для получения качественных деталей в срок и по разумной цене. Вот важные факторы, которые следует учитывать:

Фактор	Критерии
Технические возможности	Современное оборудование, многолетний опыт, технические знания
Варианты материалов	Различные материалы, такие как нержавеющая сталь, инструментальная сталь, вольфрамовые сплавы
Вторичная обработка	Собственное оборудование для обработки, соединения, нанесения покрытий
Системы качества	Сертификация ISO 9001, контроль качества и процедуры проверки
Производственная мощность	Возможность производства больших объемов для обеспечения стабильности
Время выполнения заказа	Быстрое выполнение заказа от разработки до доставки
Расположение	Географическая близость для повышения эффективности логистики
Стоимость	Модель ценообразования - предпочтительна цена за деталь
Обслуживание клиентов	Реакция на запросы, техническая поддержка, управление проектами

Вопросы, которые следует задать потенциальным поставщикам MIM

• С какими материалами и размерами деталей вы имеете опыт работы?
• Предлагаете ли вы вторичную обработку, например, механическую обработку или нанесение покрытий?
• Какие сертификаты качества и процедуры проверки соблюдаются?
• Как осуществляется работа с такими чувствительными материалами, как титановые сплавы или карбиды вольфрама?
• Какие объемы производства вы можете надежно выполнять ежемесячно?
• Как минимизировать количество брака и максимизировать выход продукции?
• Какова вариативность размеров и свойств между деталями?
• Как будет осуществляться оптимизация конструкции для процесса MIM?
• Какие отчеты о качестве и контрольные карты будут предоставлены?

Сравнение MIM с другими процессами

Сравнение между MIM и другими процессами производства металлов:

Процесс	Преимущества	Недостатки
MIM	Сложная геометрия, массовое производство, форма, близкая к чистой, широкий выбор материалов	Предварительные инвестиции в оснастку, ограничения по размерам
Обработка с ЧПУ	Гибкость материалов, быстрое изготовление прототипов	Ограниченная сложность, меньшие объемы
Литье металлов	Низкая стоимость деталей, большие объемы	Ограничения по форме, меньшая прочность
Штамповка металла	Высокая скорость, большие объемы, низкие затраты	Подходит только для двумерных геометрий
3D-печать	Свобода дизайна, быстрое создание прототипов	Низкая прочность, высокая стоимость, ограниченные размеры и материалы

Преимущества MIM перед механической обработкой

• Повышенная эффективность использования материала при близкой к чистой форме
• Отсутствие дорогостоящей механической обработки для сложных форм
• Превосходные механические свойства
• Более низкие затраты на оснастку по сравнению со штампами для механической обработки
• Автоматизированный процесс позволяет наладить массовое производство
• Возможность получения более качественной отделки поверхности

Преимущества MIM перед литьем металлов

• Повышенная точность размеров и качество обработки поверхности
• Меньше дефектов, таких как пористость, по сравнению с литыми деталями
• Изотропные свойства в отличие от направленного литья
• В отличие от литых изделий, не образуется ни вспышек, ни отверстий
• Отсутствие реакций, связанных с расплавом, и изменений состава
• В отличие от литья, возможны керны и подрезы
• Широкие возможности выбора материалов помимо литейных сплавов
• Согласованность свойств с порошковой металлургией

Ограничения MIM по сравнению с обработкой с ЧПУ

• Размер ограничен производительностью термопластавтомата
• Больше времени и затрат на изготовление оснастки
• Жесткие допуски +/- 0,5% против +/- 0,1% при обработке на станках с ЧПУ
• Ограничения по геометрии в сравнении с неограниченной обработкой
• Более низкая максимальная достижимая твердость по сравнению с механической обработкой
• Для достижения допусков часто требуется вторичная обработка

Когда не стоит использовать MIM

• Очень большие детали за пределами возможностей оборудования MIM
• Детали, требующие очень жестких допусков менее 0,5%
• Области применения, требующие твердости поверхности выше 50 HRC
• Продукты с очень низкими требованиями к объему
• Компоненты с экстремальными соотношениями сторон, непригодные для формования
• Когда нет времени на оптимизацию конструкции для процесса MIM
• Приложения, чувствительные к стоимости, с более дешевыми вариантами производства

Проектирование и моделирование MIM

Правильное проектирование деталей и исходного сырья имеет решающее значение для достижения требуемых свойств и производительности при MIM. Вот ключевые моменты проектирования:

Этап проектирования деталей

• Оптимизация толщины стенок для равномерного заполнения формы при впрыске
• Внутренние радиусы и филенки для облегчения заполнения
• Избегайте резких изменений поперечного сечения на пути потока
• Разработайте надлежащие затворы и направляющие для создания подходящего потока
• Добавьте усиливающие ребра и прокладки, чтобы избежать провисания или деформации
• Учет усадки деталей при спекании в начальных размерах
• Разработка прототипов пресс-форм для проверки конструкции перед началом производства

Разработка сырья

• Соответствие вязкости исходного сырья сложности формы при температуре формования
• Обеспечьте достаточную загрузку порошка для получения требуемой плотности спекания
• Выберите подходящие компоненты связующего и соотношение порошков для смешивания
• Оптимизация гранулометрического состава порошка для плотности его упаковки
• Корректировка рецептур исходного сырья для бездефектного удаления связующего
• Проверка свойств сырья с помощью моделирования течения в пресс-форме
• Испытание нескольких итераций сырья для достижения полной пригодности к формованию

Имитация и моделирование

• Моделирование течения в пресс-форме для оптимизации расположения затворов и направляющих
• Структурный FEA для прогнозирования деформации и оптимизации геометрии деталей
• Моделирование CFD для равномерного удаления связующего и спекания
• Тепловое моделирование для минимизации остаточных напряжений
• Механическое моделирование для обеспечения максимальной прочности и производительности
• Программное обеспечение для моделирования процессов для изучения взаимодействия между параметрами
• Экспериментальная проверка программных прогнозов с помощью прототипов пресс-форм

Основные результаты моделирования

• Время заполнения формы, вязкость исходного сырья, температура фронта потока
• Прогнозирование линий сварки, воздушных ловушек и других дефектов формовки
• Пространственные градиенты содержания связующего, температуры и растворения
• Скорость спекания, градиенты плотности, усадка, деформация
• Распределение остаточных напряжений, оценка горячего разрыва и трещин
• Механическая прочность, усталостная долговечность, анализ устойчивости к повреждениям

Дефекты MIM и методы их устранения

Дефекты могут возникать в деталях MIM из-за неоптимизированного исходного сырья, параметров формования или условий печи. Ниже приведены распространенные дефекты MIM и методы их устранения:

Дефект	Коренные причины	Методы смягчения последствий
Дефекты поверхности	Низкая температура пресс-формы, высокое трение, связующие компоненты	Оптимизируйте полировку формы, используйте разделительные агенты, постепенно снижайте температуру формы
Линии сварки	Нежелательные фронты потока сырья	Оптимизация конструкции затворов и бегунков с помощью моделирования для предотвращения образования сварных линий
Деформация	Неравномерный нагрев в печи, остаточные напряжения	Оптимизация структуры, снятие напряжения перед спеканием, оптимизация настроек печи
Трещины	Быстрое спекание, высокое содержание связующего, крутые тепловые градиенты	Снижение скорости нагрева, оптимизация системы связующего, изменение конструкции
Пористость	Низкая загрузка порошка в сырье, плохое перемешивание	Увеличение содержания порошка в сырье, улучшение процесса смешивания
Изменение размеров	Непостоянная усадка, износ пресс-формы, градиенты плотности	Статистическое управление процессами, обслуживание пресс-форм, оптимизация дебридинга и спекания
Загрязнение	Плохое обращение, контроль атмосферы печи	Надлежащие СИЗ, улучшение воздушных фильтров, предотвращение перекрестного загрязнения в партиях печей
Неполное заполнение	Высокая температура пресс-формы, высокая вязкость	Повысить температуру пресс-формы и сырья, использовать связующее меньшей вязкости

Данные и тенденции развития индустрии MIM

Размер мирового рынка MIM

Мировой рынок MIM оценивался в 1,5 миллиарда долларов США в 2022 году и, по прогнозам, достигнет 3,1 миллиарда долларов США к 2030 году при темпах роста 8,7% CAGR, обусловленных спросом в здравоохранении, автомобильной и аэрокосмической отраслях.

Драйверы роста отрасли

• Тенденции облегчения веса в автомобильной, аэрокосмической и электронной промышленности
• Спрос на небольшие сложные металлические компоненты в медицинских приборах
• Более жизнеспособна благодаря более широкому спектру материалов, пригодных для MIM-технологий
• Автоматизация снижает производственные затраты
• Рост производства прецизионных компонентов
• Расширение применения в новых областях, таких как часовое дело

Прогнозируемый CAGR по регионам

• Азиатско-Тихоокеанский регион: 9,3% CAGR
• Европа: 10,2% CAGR
• Северная Америка: 7,6% CAGR
• Остальной мир: 7,9% CAGR

Доля деталей, изготовленных по технологии MIM, по отраслям промышленности

• Потребительские товары: 22%
• Автомобильный: 21%
• Огнестрельное оружие: 15%
• Медицинский: 14%
• Индустриальный: 13%
• Аэрокосмическая промышленность: 8%
• Другие: 7%

Тенденции развития технологии MIM

• Новые связующие системы для уменьшения дефектов и создания сложных геометрических форм
• Новые составы исходного сырья для лучшей загрузки и спекания порошка
• Мультиматериальный MIM, сочетающий различные порошки в одном компоненте
• Автоматизация постобработки, такой как обработка, соединение, нарезка резьбы и т.д.
• Гибридные технологии MIM + аддитивное производство
• Новые методы нагрева, такие как микроволновое спекание, для ускорения процесса
• Интегрированное моделирование, объединяющее несколько этапов физики и производства
• Более широкое внедрение систем менеджмента качества

Резюме

Основные выводы:

• MIM позволяет производить большие объемы сложных металлических деталей, сочетая литье под давлением и порошковую металлургию.
• Подходит для изготовления небольших, сложных, высокоточных деталей в медицинской, огнестрельной, автомобильной, аэрокосмической и потребительской промышленности.
• К преимуществам относятся близкая к сетчатой форма, широкий выбор материалов, хорошие механические свойства, близкие к деформируемым материалам.
• Включает в себя формовку сырья, дебридинг и спекание с использованием специализированного оборудования.
• Требуется опыт в проектировании деталей, разработке сырья, моделировании процессов, контроле дефектов и управлении качеством.
• Прогнозируется глобальный рост в 8,7% CAGR, обусловленный спросом во всех отраслях промышленности.
• Постоянное развитие технологий для ускорения обработки, увеличения количества материалов, повышения автоматизации и улучшения качества деталей.

Вопросы и ответы

В: Каковы ключевые преимущества технологии MIM?

О: Основными преимуществами MIM являются:

• Возможность изготовления небольших сложных геометрических форм, невозможных при механической обработке или литье
• Изготовление близких к сетке форм, в результате чего

Вопрос: Какова типичная допустимая погрешность MIM?

О: Обычно MIM позволяет достичь допусков +/- 0,5%, хотя для некоторых геометрий возможно +/- 0,3%, а для более жестких допусков может потребоваться механическая обработка.

Вопрос: Детали какого размера можно изготовить с помощью MIM?

О: MIM может производить детали массой от 0,1 грамма до примерно 250 граммов. Более крупные детали возможны, но сложны из-за ограничений в размерах формовочной машины.

В: Чем MIM отличается от литья пластмасс под давлением?

О: Хотя в обоих случаях используется оборудование для литья под давлением, MIM может производить металлические детали, в то время как пластик обладает гораздо меньшей прочностью. Однако MIM имеет более низкую производительность и более высокую стоимость, чем литье пластмасс под давлением.

Вопрос: Какая термическая обработка используется в MIM?

О: Процесс спекания в MIM включает в себя нагрев почти до температуры плавления металлического порошка, поэтому дальнейшая термообработка обычно не требуется. При необходимости могут быть проведены дополнительные термические обработки для изменения свойств.

В: Какие материалы можно использовать в MIM?

О: Широкий спектр материалов поддается MIM-технологии, включая нержавеющие стали, инструментальные стали, суперсплавы, титан, тяжелые сплавы вольфрама, магнитные сплавы и другие. Разработка новых материалов - ключевая область исследований в MIM.

В: Чем MIM отличается от металлической 3D-печати?

О: MIM может производить большие объемы продукции с лучшей обработкой поверхности и механическими свойствами. Но 3D-печать обеспечивает большую свободу проектирования и ускоряет вывод на рынок прототипов или деталей, изготовленных по индивидуальному заказу.

узнать больше о процессах 3D-печати