Metal injection molding

Введение

Металлообрабатывающий процесс, в котором мелкоочищенный металл смешивается с связующим материалом процесс литья металла литье металла (MIM) - это процесс обработки металлов, в котором мелкоочищенный металл смешивается с связующим материалом для создания "сырьевого материала", который затем формируется и затвердевает с помощью литья впрыском. Впрыска металла сочетает в себе наиболее полезные характеристики порошковой металлургии и пластиковой формовки, чтобы облегчить производство мелких, сложных металлических компонентов с выдающимися механическими свойствами. Процесс формования позволяет формировать большие объемы сложных деталей за один шаг. После формования деталь подвергается кондиционированию с целью удаления связующего вещества (развязки) и уплотнения порошков. Готовые изделия представляют собой небольшие компоненты, используемые во многих отраслях промышленности и приложениях. Поведение сырья MIM регулируется реологией, исследованием шлама, суспензий и других не ньютоновских жидкостей. Из-за ограничений современного оборудования продукты должны быть сформированы с использованием количества 100 граммов или менее на "встречу" в форму. Этот выстрел может быть распределен в несколько полостей, что делает MIM экономически эффективным для небольших, сложных, больших объемов продукции, которые в противном случае были бы дорогими в производстве. Сырье MIM может состоять из множества металлов, но наиболее распространенными являются нержавеющие стали, широко используемые в порошковой металлургии. После первоначального формования связующее вещество исходного материала удаляется, а металлические частицы диффузионно связываются и уплотняются для достижения желаемых прочностных свойств. Последнее действие обычно уменьшает продукт на 15% в каждом измерении. Рынок литья металлическими инъекциями вырос с 9 миллионов долларов США в 1986 году до 382 миллионов долларов США в 2004 году и более 1,5 миллиарда долларов США в 2015 году. Связанная технология - это керамическая порошковая литьевая инъекция, которая привела к общим продажам в размере около 2 миллиардов долларов США. Большая часть роста в последние годы произошла в Азии.

Процесс

В монографии П. О. Грибовского, изданной в 1956 году, подробно описывается технология горячего литья (горячего литья) керамических изделий под давлением (ныне, низкодавление порошкового литья) и, в частности, отмечает, что "технология горячего литья обеспечивает возможность изготовления изделий из любых твердых материалов, начиная от природных минералов, чистых оксидов, карбидов, металлов и т. д., и заканчивая многокомпонентными композитными синтетическими материалами и их комбинациями". Это указание на возможность литья MIM, которое было реализовано доктором Раймоном Э. Вичем-младшим в 1970-х годах, который усовершенствовал технологию MIM в качестве соучредителя калифорнийской компании Parmatech, название которой сжато из фразы "технология частичных материалов". Впоследствии Вих запатентовал свой процесс, и он был широко использован для производства в 1980-х годах. MIM получил признание в 1990-х годах, поскольку улучшения последующих процессов кондиционирования привели к конечному продукту, который выполняет аналогичные или лучшие результаты, чем те, которые были сделаны с помощью конкурирующих процессов. Технология MIM повысила эффективность затрат за счет производства больших объемов до "чистой формы", отрицая дорогостоящие дополнительные операции, такие как обработка, хотя MIM слаба с точки зрения узких размерных спецификаций. Этапы процесса включают в себя сочетание металлических порошков с полимерами, такими как восковые и полипропиленовые связующие вещества, для получения смеси "сырьевых материалов", которая вводится в виде жидкости в форму с использованием пластиковых литейных машин. Сплавленная или "зеленая часть" охлаждается и выводится из формы. Затем часть связующего материала удаляется с помощью растворителя, термических печей, каталитического процесса или комбинации методов. Полученная в результате хрупкая и пористая (40 объемных процентов "воздуха") часть находится в состоянии, называемом "коричневой" стадией. Для улучшения обработки часто разблокировка и спекание объединяются в один процесс. Синтеровочная обработка нагревает порошок до температуры, близкой к точке плавления в защитной атмосфере печи для уплотнения частиц с использованием капилляров в процессе, называемом синтеровочной обработкой. Части MIM часто спекаются при температурах, почти достаточно высоких, чтобы вызвать частичное плавление в процессе, называемом спеканием жидкой фазы. Например, нержавеющая сталь может быть нагрета до высоких показателей диффузии, что приводит к высокому сжатию и уплотнению. Если выполнять в вакууме, обычно достигается 9699% плотности твердого вещества. Конечный продукт из металла имеет сопоставимые механические и физические свойства с отжиженными частями, изготовленными с использованием классических методов обработки металла. Послесинтеровочная термическая обработка для MIM одинакова, как и для других способов изготовления, и с высокой плотностью компонент MIM совместим с обработкой металлов, такой как покрытие, пассивация, отжигание, карбуризация, нитрирование и осадочное отверждение.

In the monograph P. O. Gribovsky, published in 1956, describes in detail the technology of hot casting (hot molding) ceramic products under pressure (now, Low Pressure Powder Injection Molding) and, in particular, notes that "hot casting technology provides the ability to manufacture products from any solid materials, ranging from natural minerals, pure oxides, carbides, metals, etc., and ending with multicomponent composite synthetic materials and their combinations". This indication of the possibility of MIM casting, which was implemented by Dr. Raymond E. Wiech Jr. in the 1970s, who refined MIM technology as co founder of a California company named Parmatech, the name being condensed from the phrase "particle materials technology". Wiech later patented his process, and it was widely adopted for manufacturing use in the 1980s. MIM gained recognition throughout the 1990s as improvements to subsequent conditioning processes resulted in an end product that performs similarly to or better than those made through competing processes. MIM technology improved cost efficiency through high volume production to "net shape", negating costly, additional operations such as machining although MIM is weak in terms of tight dimensional specifications. The process steps involve combining metal powders with polymers such as wax and polypropylene binders to produce the "feedstock" mix that is injected as a liquid into a mold using plastic injection molding machines. The molded or "green part" is cooled and ejected from the mold. Next, a portion of the binder material is removed using solvent, thermal furnaces, catalytic process, or a combination of methods. The resulting, fragile and porous (40 volume percent "air") part, is in a condition called the "brown" stage. To improve handling often the debinding and sintering are combined into a single process. Sintering heats the powder to temperatures near the melting point in a protective atmosphere furnace to densify the particles using capillary forces in a process called sintering. MIM parts are often sintered at temperatures nearly high enough to induce partial melting in a process termed liquid phase sintering. For example, a stainless steel might be heated to Diffusion rates are high leading to high shrinkage and densification. If performed in vacuum, it is common to reach 96–99% solid density. The end product metal has comparable mechanical and physical properties with annealed parts made using classic metalworking methods. Post sintering heat treatments for MIM are the same as with other fabrication routes, and with high density the MIM component is compatible with the metal conditioning treatments such as plating, passivating, annealing, carburizing, nitriding, and precipitation hardening.

Приложения

Экономическое преимущество в части, формованной металлическим впрыском, заключается в сложности и объеме для частей небольшого размера. Материалы MIM сопоставимы с металлом, сформированным конкурентными методами, и конечные продукты используются в широком диапазоне промышленных, коммерческих, медицинских, стоматологических, огнестрельных, аэрокосмических и автомобильных применений. Размерные допуски ±0,3% являются общими, и для более близких допусков требуется обработка. MIM может производить детали, где трудно или даже невозможно эффективно изготовить изделие с помощью других средств изготовления. В идеале, лучше всего иметь по крайней мере 75 измерений в компоненте с максимальным размером всего 25 мм и массой 10 г, как, например, требуется для корпусов часов, разъемов сотовых телефонов и шарниров для ноутбуков. Повышенные затраты на традиционные методы производства, присущие сложности деталей, такие как внутренние/внешние нити, миниатюризация или идентификационная маркировка, обычно не увеличивают стоимость операции MIM из-за гибкости литья под давлением. Другие возможности проектирования, которые могут быть реализованы в MIM-операции, включают коды продуктов, номера деталей или даты; части, изготовленные до их чистого веса, сокращающие отходы материала и стоимость; Плотность, контролируемая до 95-98%; Объединение частей и сложные 3D геометрии. Возможность объединить несколько операций в один процесс гарантирует, что MIM успешно экономит время выполнения работ, а также затраты, обеспечивая значительные преимущества для производителей. Процесс литья металла впрыском может быть зеленой технологией из-за значительного сокращения потерь по сравнению с "традиционными" методами изготовления, такими как 5-осевая ЧПУ. Однако некоторые из старых операций генерируют токсичные выбросы, такие как формальдегид, утилизируют хлорированные растворители и должны сжигать воск или другие полимеры, что приводит к выбросам парниковых газов. При использовании процесса MIM доступен широкий спектр материалов. Традиционные процессы обработки металлов часто включают в себя значительное количество отходов материала, что делает MIM высокоэффективным вариантом для изготовления сложных компонентов, состоящих из дорогих / специальных сплавов (кобальтовый хром, нержавеющая сталь 17 4 PH, сплавы титана и карбиды вольфрама). MIM является жизнеспособным вариантом, когда требуются спецификации для очень тонких стен (т.е. 100 микрометров). Кроме того, требования к экранированию от электромагнитных помех представляют собой уникальные проблемы, которые успешно достигаются с помощью специальных сплавов (ASTM A753 тип 4).

The window of economic advantage in metal injection molded parts lies in complexity and volume for small size parts. MIM materials are comparable to metal formed by competing methods, and final products are used in a broad range of industrial, commercial, medical, dental, firearms, aerospace, and automotive applications. Dimensional tolerances of ±0.3% are common and machining is required for closer tolerances. MIM can produce parts where it is difficult, or even impossible, to efficiently manufacture an item through other means of fabrication. Ideally, at least 75 dimensional specifications in a component of just 25 mm maximum size and 10 g mass is best – as for example required for watch cases, cellular telephone plugs, and laptop computer hinges. Increased costs for traditional manufacturing methods inherent to part complexity, such as internal/external threads, miniaturization, or identity marking, typically do not increase the cost in a MIM operation due to the flexibility of injection molding. Other design capabilities that can be implemented into the MIM operation include product codes, part numbers, or date stamps; parts manufactured to their net weight reducing material waste and cost; Density controlled to within 95–98%; Amalgamation of parts and Complex 3D Geometries. The ability to combine several operations into one process ensures MIM is successful in saving lead times as well as costs, providing significant benefits to manufacturers. The metal injection molding process might be a green technology due to the significant reduction in wastage compared to "traditional" manufacturing methods such as 5 axis CNC machining. However, some of the older operations generate toxic emissions such as formaldehyde, dispose of chlorinated solvents, and must burn off wax or other polymers, leading to greenhouse gas emissions. There is a broad range of materials available when utilizing the MIM process. Traditional metalworking processes often involve a significant amount of material waste, which makes MIM a highly efficient option for the fabrication of complex components consisting of expensive/special alloys (cobalt chrome, 17 4 PH stainless steel, titanium alloys and tungsten carbides). MIM is a viable option when extremely thin walls specifications (i. e., 100 micrometers) are required. Additionally, electromagnetic interference shielding requirements have presented unique challenges, which are being successfully attained through the utilization of specialty alloys (ASTM A753 Type 4).

Преимущества

Позволяет свободно изготавливать сложные формы, которые считались бы недорогими при использовании других методов. Предоставляет возможность изготовления микроразмерных деталей в больших объемах. Достигает сетчатых форм, таких как внутренние и внешние нити, профилированные отверстия и тонко детализированные поверхностные текстуры, выкручивание, гравировки и маркировки.