Förståelse av formsprutning av metall (MIM)

Formsprutning av metall (MIM) är en tillverkningsprocess som används för att tillverka små, komplexa metalldelar med snäva toleranser. MIM kombinerar mångsidigheten hos formsprutning av plast med styrkan och integriteten hos maskinbearbetade metaller. Den här artikeln ger en detaljerad översikt över MIM-teknik, applikationer, utrustning, process, designöverväganden med mera.

Översikt över formsprutning av metall

Formsprutning av metall är en pulvermetallurgisk process som möjliggör högvolymsproduktion av små precisionsmetallkomponenter med hjälp av formsprutningsteknik.

Hur MIM fungerar

MIM-processen innebär att fint metallpulver blandas med ett bindemedel för att skapa en råvara som kan sprutas in i formar. De gjutna delarna, så kallade gröna delar, sintras sedan för att avlägsna bindemedlet och konsolidera metallpulvret till en fast struktur. De grundläggande stegen är:

• Blandning – Fint metallpulver blandas med bindemedel för att skapa ett homogent råmaterial
• Formsprutning – Råmaterialet smälts och sprutas in i gjutformen för att bilda gröna delar
• Avbindning – Bindemedlet avlägsnas genom lösningsmedel, termisk eller katalytisk avbindning
• Sintring – De urholkade delarna sintras för att förtäta och förstärka metallstrukturen
• Sekundära operationer – Ytterligare bearbetningssteg som maskinbearbetning, borrning, gängning etc.

Fördelar med MIM

MIM erbjuder flera fördelar jämfört med andra tillverkningstekniker:

• Högvolymsproduktion med låg kostnad per detalj
• Komplexa geometrier med snäva toleranser
• Många olika material som rostfritt stål, titan, volfram, koboltkrom etc.
• Minimala skrotförluster och materialspill
• Tillverkning av nära nätform reducerande bearbetning
• Små detaljstorlekar från 0,005 lbs till 0,5 lbs
• Konsolidering av delar genom sammanslagning av enheter
• Släta ytor och bra finish

Begränsningar av MIM

Några begränsningar för formsprutning av metall inkluderar:

• Höga uppstarts- och verktygskostnader
• Begränsat storleksintervall för delar
• Specialiserad utrustning krävs
• Flerstegsprocess med långsammare produktion
• Dimensionsbegränsningar baserade på pulveregenskaper
• Begränsningar av detaljgeometrin baserat på pulverflöde

Tillämpningar av MIM

MIM används ofta för att tillverka små, komplexa delar med snäva toleranser inom branscher som t.ex:

• Medicinska – ortopediska implantat, dentala implantat, kirurgiska instrument
• Fordon – motorkomponenter, ventiler, växlar
• Aerospace – turbinblad, impellrar, munstycken
• Elektronik – kontaktdon, mikroväxlar, skärmning
• Skjutvapen – avtryckare, hammare, säkringar
• Klockor – boetter, armband, kronor
• Industri – knoppar, fästelement, skärande verktyg

MIM konkurrerar med andra processer som gjutning, maskinbearbetning och stansning för tillverkning av metalldelar.

formsprutning av metall Equipment Guide

För varje steg i MIM-processen krävs specialutrustning. Här är de viktigaste typerna av MIM-utrustning:

Utrustning	Funktion
Pulvermatare	Exakt mätning av fina pulver
Blandare	Blanda pulver och bindemedel homogent
Granulatorer	Forma råmaterial till granulat för gjutning
Formsprutningsmaskiner	Gjutning av råmaterialet till önskade former
Debinding-ugnar	Ta bort bindemedlet från de gjutna delarna
Sintringsugnar	Förtätar och stärker metallstrukturen
Slipmaskiner	Ta bort grindar, löpare och släta ytor
Bearbetningscentra	Borra, svarva, fräsa detaljer till sintrade delar

Avancerad automation, hanteringssystem och kontroller används för att integrera processen och maximera produktiviteten. Utrustningen måste väljas med omsorg och baseras på faktorer som material, detaljstorlek, produktionsvolym och kvalitetskrav.

formsprutning av metall Process steg för steg

MIM-bearbetning omfattar flera steg för att omvandla fint metallpulver till helt täta komponenter för slutanvändning.

Steg 1 – Blandning

• Metallpulvret och bindemedlet blandas noggrant i en mixer för att producera ett homogent råmaterial
• Pulverpartikelstorlek, -form och -fördelning påverkar formbarhet och sintring
• Bindemedel ger flyt och vidhäftning under formsprutning
• Vaxer, termoplaster som PP, PE, PVC och polymerer som används som bindemedel
• Blandning sker med sigma-blad, Z-blad, dubbla planetblandare

Steg 2 – Granulering

• Råvarublandningen granuleras till små pellets för formsprutning
• Förbättrar materialflödet och förhindrar segregering i tunnan
• Granulatorer använder roterande blad för att skära råmaterialet till enhetliga granulat
• Granulatets form och storlek påverkar packningstäthet och formbarhet

Steg 3 – Formsprutning

• Råvarugranulatet formas till önskad form och storlek på detaljen
• Använder modifierade formsprutningsmaskiner med kontrollerad temperatur och tryck
• Viktigt att optimera gjutningsparametrarna för att minimera defekter
• Formgjutna delar som kallas gröna delar har fått form men ingen styrka

Steg 4 – Avlastning

• Bindemedlet extraheras från de gröna delarna med hjälp av lösningsmedel, termiska eller katalytiska metoder
• Lösningsmedelsavbindning använder kapillärverkan för att lösa upp bindemedlet
• Termisk avbindning sönderdelar bindemedlet i en ugn
• Katalytisk avbindning påskyndar borttagning av bindemedel med en katalysator
• Avbarkning skapar bruna delar med en porös struktur av metallpartiklar

Steg 5 – Sintring

• Bruna delar sintras i en ugn med kontrollerad atmosfär
• Banden mellan metallpartiklarna bildas genom diffusion och masstransport
• Nära full densitet upp till 96-99% uppnås under sintring
• Atmosfär, temperatur och tid optimeras för att undvika defekter
• Sinterkrympning beaktas vid gjutning

Steg 6 – Sekundära operationer

• Ytterligare metallbearbetningssteg som glödgning, maskinbearbetning, borrning, plätering
• Glödgning minskar inre spänningar från sintring
• CNC-bearbetning avlägsnar granar, jämnar ut ytor, lägger till funktioner
• Plätering och målning som används för att förbättra eller skydda mot korrosion

MIM-processen möjliggör komplexa metalldelar med hög precision genom att kombinera fördelarna med formsprutning av plast och pulvermetallurgi.

Konstruktionsöverväganden för MIM-komponenter

MIM möjliggör geometriska friheter som inte är möjliga med maskinbearbetning, men kräver vissa konstruktionsöverväganden:

• Väggtjocklek typiskt intervall på 0,3 – 4,0 mm med vissa pulver som stöder upp till 6 mm väggar
• Ytfinish – Slätare yta än gjutning men inte lika fin som maskinbearbetning; Ra-värde på 1 – 4 μm är typiskt för MIM
• Dimensionella toleranser – ±0,1% till ±0,5% baserat på detaljens geometri med möjlighet till precision på mikronivå
• Täthet – Full densitet på upp till 99% kan uppnås med optimerad sintring
• Geometri – Det är viktigt att undvika att pulver fastnar och att bindemedlet släpps ut
• Utkast till vinklar – Avsmalnande väggar med 1-3° dragvinklar för att underlätta utmatning av detaljer
• Radier och filéer – Gradvisa övergångar är att föredra framför skarpa hörn
• Hål och håligheter – Minsta diameter 0,25 – 0,5 mm för genomgående hål
• Trådar – Kan formgjutas men bearbetas ofta efter sintring för bättre noggrannhet
• Detaljer om ytan – Begränsa fina detaljer för att minska slitaget på gjutformen; processer efter gjutning kan förbättra

MIM-design bör fokusera på geometri som maximerar prestanda snarare än enkel tillverkning. Processen gör det möjligt att konsolidera sammansättningar av flera delar till en del med betydande kostnads- och viktbesparingar.

Material som används vid formsprutning av metall

MIM kan producera detaljer från ett brett spektrum av metaller, legeringar och keramer i olika branscher.

Material	Tillämpningar	Fastigheter
Rostfritt stål	Medicinsk, skjutvapen, marin	Korrosionsbeständighet, hållfasthet
Låglegerat stål	Fordon, industri	Magnetisk respons, bearbetningsbarhet
Mjukmagnetiska legeringar	Sensorer, ställdon	Hög permeabilitet
Legeringar av hårdmetall	Skärande verktyg	Slitstyrka, hårdhet
Kopparlegeringar	Elektronik, termisk	Elektrisk ledningsförmåga
Aluminiumlegeringar	Elektrisk, termisk	Lättvikt, ledningsförmåga
Titanlegeringar	Flyg- och rymdindustrin, fordonsindustrin	Styrka, biokompatibilitet
Legeringar av volfram	Avskärmning mot strålning	Hög densitet
Cermets	Elektronik, optik	Oxideringsbeständighet

Faktorer som detaljfunktion, kostnad, efterbearbetningssteg och legeringskompatibilitet avgör det ideala valet av MIM-material.

MIM-leverantörer och tillverkare av utrustning

Många företag erbjuder MIM-material, tjänster, produktion och utrustning globalt. Här är några av de största MIM-leverantörerna i hela värdekedjan:

Företag	Produkter/Tjänster
BASF	Råvaror, bindemedel
Sandvik Osprey	Metallpulver
Höganäs	Metallpulver
CNPC Pulver	Metallpulver
Indo-Mim	MIM-produkter och -tjänster
MPP	MIM-produkter och -tjänster
ARC-gruppen	MIM-produkter och -tjänster
Atlas pressade metaller	MIM-produktion av delar
Epson Atmix	MIM-utrustning
Milacron	Formsprutningsmaskiner
Elnik	Sintringsugnar
TCN	Avbindning, sintringsugnar

Det finns också många mindre regionala aktörer som är involverade i hela leveranskedjan för MIM. Slutanvändare som vill börja använda MIM kan samarbeta med materialleverantörer och kontraktstillverkare beroende på vilken kapacitet som krävs.

Kostnadsanalys av MIM-delar jämfört med alternativ

Här följer en jämförelse av de beräknade kostnaderna för att tillverka 1000 detaljer med olika tillverkningsprocesser:

Process	Kostnader för uppstart	Kostnader för maskiner	Verktygskostnader	Delkostnad	Totalt (1000 delar)
CNC-bearbetning	Låg	$100,000	$2,000	$50	$52,000
Investeringsgjutning	Hög	$500,000	$40,000	$20	$60,000
Formsprutning av metall	Hög	$750,000	$100,000	$15	$115,000
Stämpling	Hög	$1,000,000	$150,000	$10	$160,000

• CNC-bearbetning har låga volymer, höga delkostnader, begränsad komplexitet
• Investeringsgjutning är bättre för volymer upp till 10.000 enheter
• MIM har fördelar för medelstora till stora volymer med komplex geometri
• Stansning har mycket höga verktygskostnader men lägst artikelpris vid stora volymer över 100 000 artiklar

Övergångspunkten där MIM blir mer ekonomiskt än andra processer beror på volymer, komplexitet och storlek.

Att välja en MIM-leverantör eller partner

Att välja en kompetent MIM-leverantör eller produktionspartner är avgörande för en kostnadseffektiv reservdelsproduktion. Här är några viktiga överväganden:

• Teknisk expertis – Tidigare erfarenhet av liknande MIM-delar, material och industri
• Kvalitetssystem – ISO 9001-certifiering, rutiner för kvalitetskontroll
• Produktionskapacitet – Förmåga att uppfylla nuvarande och framtida volymkrav
• Sekundära processer – Kapacitet för maskinbearbetning, stansning, plätering och målning
• Optimering av delar – Design för MIM-stöd för att maximera fördelarna
• Prototyptillverkning – Snabb prototypframtagning för att validera konstruktioner
• Verktygskapacitet – Egen design och tillverkning av verktyg är att föredra
• Tillgång till råmaterial – Etablerade leveranskanaler för råvaror
• FoU-kapacitet – Fortlöpande forskning och utveckling inom avancerade material och tillverkningstekniker
• Kundfokus – Lyhördhet för behov och samarbetsstrategi
• Kostnadsstruktur – Prissättningsmodell och konkurrenskraft för prognostiserade volymer
• Logistik – Förmåga att leverera delar på ett tillförlitligt sätt och samtidigt uppfylla kraven på ledtider

Genom att prioritera dessa faktorer blir det lättare att identifiera rätt strategisk MIM-partner för en viss applikation.

Installation av MIM-utrustning

För företag som installerar MIM-kapacitet internt är korrekt installation av utrustning avgörande. Här är några viktiga överväganden:

• Golvyta på cirka 2000 – 5000 sq ft behövs för MIM-linjen
• Stabil strömförsörjning med 200-600 kVA kapacitet krävs
• Tryckluftsledningar dimensionerade för 100 psi tryck
• Frånluftsventilation för värme, utsläpp och dammuppsamling
• Verktyg som kväve, processvatten och gasförsörjning
• Temperatur- och luftfuktighetskontroll på cirka 20±3 °C, 50±20%
• Mezzaniner, plattformar för installation av tilläggsutrustning
• Materialhanteringssystem som lyftanordningar, gaffeltruckar, bingar
• Kontrollrum, datorsystem för övervakning
• Utbildning av personal i processäkerhet och användning av utrustning
• Processsimuleringar, testkörningar för att validera installationen
• Scheman för kalibrering och förebyggande underhåll

Tillräckligt utrymme, verktyg och kontrollerade förhållanden är avgörande för att MIM-utrustningen ska fungera smidigt. Grundlig testning och utbildning förbereder för verklig produktion.

MIM Underhåll av utrustning

Konsekvent underhåll förbättrar drifttiden och prestandan för MIM-produktionsutrustning. Viktiga aspekter:

• Dokumenterat schema för förebyggande underhåll för varje maskin
• Daglig sanering av materialspill, läckage, damm och skräp
• Kontroll av vätskenivåer, läckage, ovanliga ljud, vibrationer
• Övervakning av tryck, temperaturer och strömförbrukning
• Testning av värme-, kyl- och styrsystem
• Byte av slitdelar som siktar, skruvar och tunnor
• Inspektioner för utmattning, skador och uppriktning av komponenter
• Regelbundna ombyggnader och översyner baserade på drifttimmar
• Spårning av underhållsloggar för analys
• Lagerhållning av reservdelar för kritiska komponenter
• Utbildning i korrekt användning av utrustningen och säkerhet
• Snabb service och support från utrustningsleverantörer

Välutbildad personal och samarbete med utrustningsleverantörer bidrar till att maximera produktiviteten för MIM-utrustning och minimera stilleståndstiden.

Simuleringsprogram för formsprutning av metall

Simuleringsprogram används för att digitalt modellera MIM-processen före den faktiska produktionen. Fördelarna inkluderar:

• Förutsägelse av formfyllningsmönster och optimering av grindplaceringar
• Identifiering av svetslinjer och luftfällor för att förhindra defekter
• Studera termiska gradienter och stelning i komplexa geometrier
• Simulering av avbindnings- och sintringsprofilens effekter på den slutliga formen
• Validering av verktygskonstruktioner före tillverkning
• Minskade försökskostnader genom virtuell prototypframtagning
• Utbildning av personal genom visuella representationer

Några kommersiella MIM-simuleringspaket är t.ex:

• MIMSIM – Integrerad simulering för gjutning genom sintring
• Sigma Soft – 3D FEM-analys av formfyllnad och distorsion
• Netzsch MIMPre – Modellering av MIM-råvarors reologiska egenskaper
• Simufact Additive – Multi-fysikalisk simulering av AM-processer
• EOS PSW – Simulering med fokus på sintring och värmebehandling

Användning av MIM-programvara förbättrar processkonsistensen, optimerar detaljkvaliteten och minskar kostnaderna för fysisk prototyptillverkning. Ett integrerat arbetsflöde från simulering till produktion är att föredra.

Felsökning av vanliga MIM-defekter

Några typiska defekter i MIM-delar och potentiella grundorsaker är

Defekt	Orsaker
Korta skott	Lågt insprutningstryck, för tidig stelning
Flash	Överfyllda formar, mögelskador
Warpage	Ojämn kylning, problem med bindemedel
Sprickor	Snabb sintring, hög bindemedelshalt
Porositet	Dålig homogenisering, instängda gaser
Kontaminering	Korskontaminering, ugnsatmosfär
Variationer i dimensionerna	Problem med råmaterial, formförslitning, krympning
Ytliga defekter	Gasporositet, försprödning av flytande metall
Inkluderingar	Förorenade råmaterial, igensatta munstycken

En systematisk metod för felanalys bör användas för att isolera processparametrar som orsakar defekter och vidta korrigerande åtgärder som att justera råmaterialformulering, gjutningsparametrar, avbindnings- och sintringsprofiler.

Fördelar med MIM-teknik

MIM erbjuder betydande fördelar jämfört med andra metoder för tillverkning av metalldelar:

• Komplexitet – Invecklade 3D-geometrier möjliga, konsoliderar monteringar
• Samstämmighet – Mycket repeterbar process med låg detaljvarians
• Effektivitet – Tillverkning av nära nätform med mindre spill av råmaterial
• Automatisering – Högautomatiserad process minskar arbetsinsatsen
• Flexibilitet – brett utbud av material som metaller, keramer, kompositer
• Kvalitet – Bra ytfinish och mekaniska egenskaper
• Produktivitet – Hög produktionsvolym med låg kostnad per del
• Miniatyrisering – Mikrokomponenter med detaljer ner till 10 μm
• Hållbarhet – Energieffektivitet jämfört med maskinbearbetning
• Kostnad – Lägre totalkostnad för medelstora till stora produktionsvolymer

De unika egenskaperna hos MIM driver på användningen inom olika branscher som fordons-, flyg-, medicin- och elektronikindustrin.

Begränsningar för formsprutning av metall

Trots många fördelar har MIM vissa begränsningar:

• Hög initial investering i verktyg
• Begränsat storleksintervall, vanligtvis under 65 gram
• Lägre noggrannhet än CNC-bearbetning
• Porositetsrisker som kräver processkontroller
• Begränsade materialval baserat på pulveregenskaper
• Säkerhetsrisker med fina pulver
• Begränsningar av detaljgeometrin relaterade till formbarhet
• Potentiell variabilitet från tomt till tomt
• Lägre mekaniska egenskaper än smidda material
• Begränsad produktion av prototyper i lägre volymer
• Krav på sekundärbearbetning i många applikationer
• Specialiserad utrustning och utbildade operatörer krävs

För mycket hög precision eller större metalldelar som tillverkas i små volymer kan andra processer vara bättre lämpade än MIM.

Framtiden för formsprutning av metall

MIM förväntas ha en fortsatt stark tillväxt i takt med att teknik och material fortsätter att förbättras:

• Nya bindemedelssystem för förbättrad formbarhet och grönstyrka
• Nya råmaterialformuleringar med hjälp av nanokompositer
• Större delar som överskrider strömgränserna
• Ökad användning av keramer och volframlegeringar
• Stark efterfrågetillväxt inom medicin- och elektroniksektorerna
• Användning av additiv tillverkning för att tillverka MIM-verktyg
• Automation med hjälp av robotteknik och Industri 4.0-integration
• Fler tillämpningar i extrema miljöer
• Konvergens med 3D-printing av metall med hjälp av bound metal deposition

Med ökad forskning och utveckling och enklare införande kommer MIM-användningen att växa snabbt inom olika tillämpningar under de kommande åren.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser