Formowanie wtryskowe metali
Formowanie wtryskowe metali (MIM) to proces obróbki metali , w którym drobno sproszkowany metal jest mieszany z materiałem wiążącym w celu utworzenia „surowca”, który jest następnie kształtowany i zestalany za pomocą formowania wtryskowego . Proces formowania umożliwia kształtowanie złożonych części o dużej objętości w jednym etapie. Po uformowaniu część poddawana jest kondycjonowaniu w celu usunięcia spoiwa (debindowania) i zagęszczenia proszków. Gotowe produkty to małe elementy stosowane w wielu branżach i zastosowaniach.
Zachowanie surowca MIM jest regulowane przez reologię , badania szlamów, zawiesin i innych płynów nienewtonowskich.
Ze względu na obecne ograniczenia sprzętowe, produkty muszą być formowane przy użyciu ilości 100 gramów lub mniej na „strzał” do formy. Ten strzał można rozdzielić na wiele wnęk, dzięki czemu MIM jest opłacalny w przypadku małych, skomplikowanych produktów o dużej objętości, które w innym przypadku byłyby kosztowne w produkcji. Surowiec MIM może składać się z wielu metali, ale najczęściej są to stale nierdzewne, szeroko stosowane w metalurgii proszków . Po wstępnym formowaniu spoiwo surowca jest usuwane, a cząstki metalu są łączone dyfuzyjnie i zagęszczane w celu uzyskania pożądanych właściwości wytrzymałościowych. Ta ostatnia operacja zazwyczaj zmniejsza produkt o 15% w każdym wymiarze.
Rynek formowania wtryskowego metali wzrósł z 9 mln USD w 1986 r. Do 382 mln USD w 2004 r. Do ponad 1,5 mld USD w 2015 r. Powiązaną technologią jest ceramiczne formowanie wtryskowe w proszku, co prowadzi do około 2 mld USD całkowitej sprzedaży. Większość wzrostu w ostatnich latach nastąpiła w Azji.
Proces
Etapy procesu obejmują łączenie proszków metali z polimerami, takimi jak wosk i spoiwa polipropylenowe, w celu wytworzenia mieszanki „wsadu”, która jest wtryskiwana jako płyn do formy za pomocą maszyn do formowania wtryskowego tworzyw sztucznych. Formowana lub „zielona część” jest chłodzona i wypychana z formy. Następnie część materiału wiążącego usuwa się za pomocą rozpuszczalnika, pieców termicznych, procesu katalitycznego lub kombinacji metod. Powstała, delikatna i porowata część (40 procent objętościowych „powietrza”) jest w stanie zwanym etapem „brązowym”. Aby poprawić obsługę, często debindowanie i spiekanie są łączone w jeden proces. Spiekanie podgrzewa proszek do temperatur zbliżonych do temperatury topnienia w piecu z atmosferą ochronną w celu zagęszczenia cząstek przy użyciu sił kapilarnych w procesie zwanym spiekaniem . Części MIM są często spiekane w temperaturach prawie wystarczająco wysokich, aby spowodować częściowe stopienie w procesie zwanym spiekaniem w fazie ciekłej. Na przykład stal nierdzewna może zostać podgrzana do 1350 do 1400 stopni Celsjusza). Szybkość dyfuzji jest wysoka, co prowadzi do wysokiego skurczu i zagęszczenia. W przypadku próżni osiąga się gęstość stałą 96–99%. Produkt końcowy ma porównywalne właściwości mechaniczne i fizyczne z wyżarzonymi częściami wykonanymi klasycznymi metodami obróbki metali. Obróbka cieplna po spiekaniu dla MIM jest taka sama jak w przypadku innych dróg wytwarzania, a przy wysokiej gęstości składnik MIM jest kompatybilny z obróbkami kondycjonującymi metal, takimi jak powlekanie , pasywacja , wyżarzanie, nawęglanie, azotowanie i utwardzanie wydzieleniowe.
Aplikacje
Okno korzyści ekonomicznych w metalowych częściach formowanych wtryskowo polega na złożoności i objętości małych części. Materiały MIM są porównywalne z metalem formowanym przez konkurencyjne metody, a produkty końcowe są stosowane w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych, handlowych, medycznych, dentystycznych, broni palnej, lotniczej i motoryzacyjnej . Tolerancje wymiarowe wynoszące ± 0,3% są powszechne, a obróbka jest wymagana dla uzyskania mniejszych tolerancji. MIM może produkować części, w których jest to trudne, a nawet niemożliwe, wydajnej produkcji przedmiotu za pomocą innych środków produkcji. Idealnie najlepiej jest mieć co najmniej 75 specyfikacji wymiarowych w komponencie o maksymalnym rozmiarze zaledwie 25 mm i masie 10 g - jak na przykład wymagane w przypadku obudów zegarków, wtyczek telefonu komórkowego i zawiasów laptopa. Zwiększone koszty tradycyjnych metod produkcji związanych ze złożonością części, takich jak gwinty wewnętrzne / zewnętrzne, miniaturyzacja lub znakowanie tożsamości, zwykle nie zwiększają kosztów operacji MIM ze względu na elastyczność formowania wtryskowego.
Inne możliwości projektowania, które można wdrożyć w operacji MIM, obejmują kody produktów, numery części lub datowniki; części produkowane do ich masy netto zmniejszające odpady materiałowe i koszty; Gęstość kontrolowana w zakresie 95–98%; Połączenie części i złożonych geometrii 3D .
Możliwość połączenia kilku operacji w jeden proces zapewnia, że MIM skutecznie oszczędza czas realizacji i koszty, zapewniając znaczące korzyści producentom. Proces formowania wtryskowego metalu może być zieloną technologią ze względu na znaczne zmniejszenie strat w porównaniu z „tradycyjnymi” metodami produkcji, takimi jak 5-osiowa obróbka CNC. Jednak niektóre starsze operacje generują toksyczne emisje, takie jak formaldehyd, usuwają chlorowane rozpuszczalniki i muszą spalać wosk lub inne polimery, co prowadzi do emisji gazów cieplarnianych.
Podczas korzystania z procesu MIM dostępna jest szeroka gama materiałów. Tradycyjne procesy obróbki metali często wiążą się ze znaczną ilością odpadów materiałowych, co sprawia, że MIM jest bardzo wydajną opcją do wytwarzania złożonych elementów składających się z drogich / specjalnych stopów ( kobalt-chrom , stal nierdzewna 17-4 PH , stopy tytanu i węglików wolframu ). MIM jest opłacalną opcją, gdy wymagane są parametry wyjątkowo cienkich ścian (tj. 100 mikrometrów). Ponadto wymagania dotyczące ekranowania EMI ( zakłócenia elektromagnetyczne ) stanowiły wyjątkowe wyzwania, które z powodzeniem można osiągnąć dzięki wykorzystaniu stopów specjalnych.