Metal Injection Molding (MIM) - jak projektować komponenty pod efektywną produkcję seryjną?
Metal Injection Molding (MIM) to jedna z najszybciej rozwijających się technologii produkcji precyzyjnych komponentów metalowych. Łączy ona zalety formowania wtryskowego tworzyw sztucznych z właściwościami materiałowymi metali konstrukcyjnych. Dobrze zaprojektowany komponent MIM potrafi znacząco obniżyć koszty produkcji, skrócić czas wdrożenia i zwiększyć powtarzalność jakościową. Klucz tkwi jednak w jednym aspekcie - projektowaniu pod technologię MIM już od pierwszego etapu rozwoju produktu.
Czym jest Metal Injection Molding?
MIM to proces polegający na zmieszaniu proszku metalowego z lepiszczem, następnie wtrysku mieszanki do formy, usunięciu lepiszcza i finalnie spiekaniu elementu w wysokiej temperaturze. Efektem jest niemal pełna gęstość materiału (ok. 98%) oraz właściwości mechaniczne zbliżone do elementów odlewanych lub kutych - przy znacznie większej swobodzie projektowej.
Dlaczego projektowanie pod MIM ma kluczowe znaczenie?
Największy wpływ na koszt końcowy komponentu nie pojawia się w produkcji, lecz na etapie projektowania. Wczesne uwzględnienie technologii MIM pozwala ograniczyć operacje wtórne oraz zmniejszyć masę komponentu, uprościć montaż, a także połączyć wiele części w jeden element i finalnie skrócić czas wdrożenia produkcji seryjnej. Zaangażowanie producenta MIM już w fazie koncepcji produktu znacząco minimalizuje ryzyko zmian narzędziowych, które są najdroższym etapem projektu.
Kiedy MIM jest najlepszym wyborem?
Technologia MIM sprawdza się szczególnie dobrze, gdy spełnione są następujące warunki:
✔ Wolumen produkcji
Technologia MIM (Metal Injection Molding) jest procesem stricte seryjnym, którego efektywność ekonomiczna bezpośrednio zależy od skali produkcji. Ze względu na wysoki koszt wykonania oprzyrządowania, inwestycja w formę amortyzuje się dopiero przy większych wolumenach. Przyjmuje się, że minimalna opłacalność zaczyna się od około 5 000 sztuk rocznie, jednak poziomem optymalnym, pozwalającym w pełni wykorzystać potencjał tej metody, są serie przekraczające 20 000 sztuk na rok.
✔ Złożona geometria 3D
Technologia MIM pokazuje swoją największą siłę przy produkcji elementów o złożonej geometrii 3D, oferując możliwości wykraczające poza standardowe metody obróbki. Jej kluczową przewagą jest swoboda w projektowaniu detali z otworami, podcięciami, żebrami czy wypustami, a także precyzyjne nanoszenie gwintów wewnętrznych i zewnętrznych bezpośrednio w procesie formowania. Dzięki temu MIM pozwala na uzyskanie niezwykle skomplikowanych kształtów przestrzennych, które w innych technologiach wymagałyby kosztownej obróbki wtórnej. Warto jednak pamiętać, że w przypadku prostych elementów płaskich technologia ta może być mniej konkurencyjna – takie detale zazwyczaj taniej i szybciej wykonuje się poprzez tłoczenie lub odlewanie.
✔ Typowe parametry części MIM
Efektywność technologii MIM jest ściśle powiązana z gabarytami i masą projektowanych części. Najlepsze rezultaty osiąga się w przypadku małych komponentów o masie od 0,1 do 200 g, przy czym za wartość idealną uznaje się okolice 10 g. Typowy wymiar detalu mieści się zazwyczaj w przedziale 25–35 mm, a optymalna grubość ścianek powinna wynosić od 0,3 do 3 mm. Warto dążyć do stosowania jak najcieńszych przekrojów, ponieważ nie tylko redukują one zużycie materiału, ale przede wszystkim znacząco skracają cykle produkcyjne, co bezpośrednio przekłada się na niższy koszt jednostkowy gotowego wyrobu.
Dostępny metal w technologii MIM
Ponieważ większość powszechnie stosowanych stopów metali inżynieryjnych została zademonstrowana w procesie formowania wtryskowego, zalecamy jednak najlepszy wybór stali nierdzewnej. W naszej firmie ponad 60% komponentów MIM jest wytwarzanych ze stali nierdzewnej. Posiadamy największą bazę dostawców, wiedzę produkcyjną i najniższe koszty materiałów ze względu na dużą produkcję. Zasadniczo MIM najlepiej nadaje się do metali o wyższej temperaturze płynięcia, a także staramy się unikać metali łatwo utleniających się i reaktywnych, a także metali lotnych i toksycznych, takich jak beryl, ołów, mangan i magnez.
Koszt wdrożenia technologii MIM
Opłacalność projektu formowania wtryskowego metali zależy nie tylko od ceny części, ale także od ceny form i czasu produkcji. Ponadto, złożone geometrie części w projektach MIM wymagają umiejętności i doświadczenia inżynierów, a także odpowiedniego czasu operacji. Koszt oprzyrządowania i czas dostawy to najważniejsze czynniki wpływające na ostateczny koszt MIM. Gładka powierzchnia i ścisłe tolerancje również zwiększają koszty produkcji.
Optymalizacja projektu pod kątem produkcji MIM
Projektując pod kątem formowania wtryskowego metali, powinniśmy zoptymalizować kilka aspektów, aby ułatwić produkcję metodą MIM. Ponadto, należy unikać niektórych cech konstrukcyjnych, aby obniżyć potencjalne koszty produkcji.
✔ Pożądane cechy:
- Stopniowa zmiana grubości przekroju
- Grubość ścianki od 0,1 mm do 10 mm
- Niska masa własna
- Konstrukcja nośna do procesu spiekania
- Dozwolone cechy konstrukcyjne
- Obiekty o dowolnej formie, o symetrii osiowej, niesymetryczne, pryzmatyczne i kwadratowe
- Kształty wspornikowe i niesymetryczne
- Uchwyty i żebra usztywniające do montażu
- Występy, wypukłości i kołki
- Otwory ślepe i przelotowe,
- Gwinty zewnętrzne i wewnętrzne
- Podcięcia, rowki, szczeliny, zagłębienia
- Powierzchnia radełkowana i waflowa
- Logo identyfikacyjne, numer części i inny tekst
- Cechy, których można uniknąć
- Zamknięte wewnątrz jam
- Ostre narożniki lub krawędzie (promień mniejszy niż 0,1 mm)
- Długi element bez pochylenia lub stożka do wyrzucania
- Podcięcie na otworach wewnętrznych
- Średnica otworów mniejsza niż 0,1 mm
- Grubość ścianki większa niż 0,1 mm
- Projektowanie pod kątem formowania wtryskowego metali – nasza sugestia
✔ Cechy, których warto uniknąć
- Zamknięte wewnątrz jam
-
Ostre narożniki lub krawędzie (promień mniejszy niż 0,1 mm)
-
Długi element bez pochylenia lub stożka do wyrzucania
-
Podcięcie na otworach wewnętrznych
-
Średnica otworów mniejsza niż 0,1 mm
-
Grubość ścianki większa niż 0,1 mm
-
Projektowanie pod kątem formowania wtryskowego metali – sugestia
Ograniczenie rozmiaru części
W procesie formowania wtryskowego metali rozmiar części nie jest nieodłącznym ograniczeniem procesu, lecz kwestią wydajności urządzeń formujących. Dodatkowo, grubość przekroju stanowi kolejny problem z rozmiarem części, ponieważ proces formowania, usuwania lepiszcza i spiekania przebiega szybciej przy cieńszych ściankach. Wyraźną zaletą jest krótszy czas cyklu dzięki cieńszym, wydrążonym przekrojom w elementach formowanych metodą MIM.
Modyfikacja projektu
Dzięki naszemu doświadczeniu w praktyce MIM zidentyfikowaliśmy kilka zmian konstrukcyjnych, które znacznie ułatwiają produkcję MIM. Oto najważniejsza sugestia projektowa:
- Promień naroży i krawędzi to ograniczenie geometryczne w projektowaniu metodą MIM, ponieważ rozmiar proszku metalowego determinuje możliwość wypełnienia narożników i dyktuje promień krawędzi i naroży. Dlatego, z punktu widzenia kosztów, zalecamy wyeliminowanie ostrych krawędzi i produkcji narożników oraz zwiększenie promienia naroży i krawędzi z 0,05 mm do 0,075 mm, jeśli jest to realne. Wszystkie ostre krawędzie wymagają szlifowania po procesie spiekania.
Wpływ spiekania
Wpływ spiekania na tolerancję jest najbardziej oczywistym problemem w projektowaniu MIM. Ponieważ podczas procesu spiekania, nierównomierne nagrzewanie i siła grawitacji znacząco wpływają na ostateczny rozmiar i kształt. W zależności od naszego sprzętu i technologii formowania, tolerancja wymiarowa po spiekaniu sięga ±0,3%.
Kluczowe kryteria wyboru technologii Metal Injection Molding
Formowanie wtryskowe metali charakteryzuje się złożoną geometrią, niewielkimi rozmiarami i dużą produkcją seryjną. Znajduje również liczne zastosowania w zegarkach, narzędziach ręcznych, narzędziach chirurgicznych, aparatach ortodontycznych, częściach silników, częściach elektronicznych, narzędziach skrawających i sprzęcie sportowym. Aby szybko zidentyfikować kandydatów do formowania wtryskowego, podsumowujemy kluczowe zagadnienia w następujący sposób:
- Masa/Objętość: Technologia MIM charakteryzuje się doskonałą wydajnością przy jednoczesnej redukcji kosztów związanych ze znacznymi stratami materiału, np. w procesie obróbki skrawaniem lub szlifowania.
- Ilość: Koszty oprzyrządowania i przygotowania pochłaniają ogromną ilość produkcji MIM. Dlatego, aby osiągnąć akceptowalną cenę jednostkową, konieczna jest produkcja wielkoseryjna. Minimalna roczna produkcja powinna przekraczać 20 000 sztuk.
- Materiał: Niezależnie od powszechnie stosowanych stali MIM, formowanie wtryskowe metali może być stosowane do obróbki materiałów trudnych w obróbce, takich jak tytan czy stopy niklu.
- Złożoność: Technologia MIM jest stosowana w przypadku skomplikowanych geometrii i najlepiej sprawdza się w przypadku komponentów o wielu osiach.
- Wydajność: Duża gęstość części MIM spełnia wymagania produkcyjne w zakresie konkurencyjnych właściwości.
- Wykończenie powierzchni: Początkowy rozmiar cząstek decyduje o ostatecznej chropowatości powierzchni elementów spiekanych. Ponadto, tekstury można łatwo uzyskać bez ponoszenia kosztów.
- Tolerancje: Typowe tolerancje po spiekaniu sięgają ± 0,3%, natomiast wąskie tolerancje powodują wysokie koszty operacji wtórnych.
- Montaż: Technologia MIM umożliwia łączenie wielu części w jeden element, co pozwala zaoszczędzić na zapasach i kosztach montażu.
- Wady: W miejscach, które nie mają krytycznego znaczenia, występują wady, które należy usunąć po zakończeniu produkcji. Są to np. ślady po wlewkach, linie podziału, ślady po wypychaczach.
- Unikalne kompozycje: Formowanie wtryskowe metali pozwala na tworzenie unikalnych kompozycji materiałowych dostosowanych do specyficznych wymagań. Co jest trudne do osiągnięcia tradycyjnymi metodami.
Podsumowanie
Formowanie wtryskowe metali przyniesie znakomite rezultaty, gdy nasz zespół inżynierów zaangażuje się w projektowanie MIM. Nasza zaawansowana wiedza zapewni niskie koszty, lepszą jakość i dłuższą żywotność form w produkcji metodą MIM. Po zaprojektowaniu formowania wtryskowego metali, możemy dokonać właściwego pogodzenia zamierzonej funkcji z atrybutami procesu MIM.
Technologia MIM może uzyskać pożądane właściwości dla różnych zastosowań. Nowe materiały MIM są projektowane na zamówienie, z myślą o konkretnych zastosowaniach. Na przykład: laminowane struktury twardo-miękkie i magnetyczno-niemagnetyczne, obiekty puste w środku, spienione metale. Wszystkie te możliwości pozwalają na wykorzystanie MIM w obszarach, w których brakuje alternatywnych technologii.
ROBERT BIELAK
kierownik projektu MIM
rbielak@jg-mat.pl
greszka@jg-group.pl
prezes i założyciel JG Group
GRZEGORZ RESZKA
ZAPRASZAMY DO KONTAKTU
Z NASZYMI EKSPERTAMI
JESTEŚ ZAINTERESOWANY
WSPÓŁPRACĄ?
GODZINY PRACY
Poniedziałek-piątek
7:00 do 16:00
SIEDZIBA FIRMY
JG Machines and Tools Sp. z o.o.
ul. Ignacego Mościckiego 1 24-110