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:

** 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:

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:

Установка, эксплуатация и обслуживание

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

Типичные мероприятия по техническому обслуживанию и их периодичность

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:

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:

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:

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