Stampaggio ad iniezione di metalli
Lo stampaggio a iniezione di metallo (MIM) è un processo di lavorazione del metallo in cui il metallo finemente polverizzato viene miscelato con materiale legante per creare una "materia prima" che viene quindi modellata e solidificata mediante lo stampaggio a iniezione . Il processo di stampaggio consente di modellare parti complesse ad alto volume in un unico passaggio. Dopo lo stampaggio, la parte viene sottoposta a operazioni di condizionamento per rimuovere il legante (debinding) e densificare le polveri. I prodotti finiti sono piccoli componenti utilizzati in molti settori e applicazioni.
Il comportamento delle materie prime MIM è regolato dalla reologia , dallo studio di fanghi, sospensioni e altri fluidi non newtoniani.
A causa delle attuali limitazioni dell'attrezzatura, i prodotti devono essere stampati utilizzando quantità uguali o inferiori a 100 grammi per "colpo" nello stampo. Questo scatto può essere distribuito in più cavità, rendendo MIM conveniente per prodotti piccoli, intricati, ad alto volume, che altrimenti sarebbero costosi da produrre. Le materie prime MIM possono essere composte da una pletora di metalli, ma i più comuni sono gli acciai inossidabili, ampiamente utilizzati nella metallurgia delle polveri . Dopo lo stampaggio iniziale, il legante della materia prima viene rimosso e le particelle metalliche vengono legate per diffusione e densificate per ottenere le proprietà di resistenza desiderate. Quest'ultima operazione generalmente riduce il prodotto del 15% in ogni dimensione.
Il mercato dello stampaggio ad iniezione di metalli è cresciuto da 9 milioni di dollari nel 1986 a 382 milioni di dollari nel 2004 a oltre 1,5 miliardi di dollari nel 2015. Una tecnologia correlata è lo stampaggio a iniezione di polvere di ceramica, che ha portato a circa 2 miliardi di dollari di vendite totali. La maggior parte della crescita negli ultimi anni è stata in Asia.
Processi
Le fasi del processo prevedono la combinazione di polveri metalliche con polimeri come leganti di cera e polipropilene per produrre la miscela "materia prima" che viene iniettata come liquido in uno stampo utilizzando macchine per lo stampaggio ad iniezione di materie plastiche. La parte stampata o "verde" viene raffreddata ed espulsa dallo stampo. Successivamente, una parte del materiale legante viene rimossa usando solvente, forni termici, processo catalitico o una combinazione di metodi. La parte risultante, fragile e porosa (40% in volume "aria"), è in una condizione chiamata stadio "marrone". Per migliorare la gestione spesso il debinding e la sinterizzazione sono combinati in un unico processo. La sinterizzazione riscalda la polvere a temperature vicine al punto di fusione in una fornace di atmosfera protettiva per densificare le particelle usando forze capillari in un processo chiamato sinterizzazione . Le parti MIM sono spesso sinterizzate a temperature quasi abbastanza alte da indurre una fusione parziale in un processo chiamato sinterizzazione in fase liquida. Ad esempio, un acciaio inossidabile potrebbe essere riscaldato da 1350 a 1400 gradi Celsius). I tassi di diffusione sono elevati e ciò comporta un elevato restringimento e densificazione. Se eseguito nel vuoto, è comune raggiungere una densità solida del 96–99%. Il metallo del prodotto finale ha proprietà meccaniche e fisiche comparabili con le parti ricotte realizzate con metodi di lavorazione dei metalli classici. I trattamenti termici di post-sinterizzazione per MIM sono gli stessi di altri percorsi di fabbricazione e, ad alta densità, il componente MIM è compatibile con i trattamenti di condizionamento del metallo quali placcatura , passivazione , ricottura, carburazione, nitrurazione e indurimento per precipitazione.
Le applicazioni
La finestra del vantaggio economico nelle parti in metallo stampato ad iniezione risiede nella complessità e nel volume delle parti di piccole dimensioni. I materiali MIM sono paragonabili al metallo formato con metodi concorrenti e i prodotti finali sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni industriali, commerciali, mediche, dentistiche, di armi da fuoco, aerospaziali e automobilistiche . Tolleranze dimensionali di ± 0,3% sono comuni e la lavorazione è necessaria per tolleranze più vicine. Il MIM può produrre parti in cui è difficile, o addirittura impossibile, produrre in modo efficiente un articolo con altri mezzi di fabbricazione. Idealmente, almeno 75 specifiche dimensionali in un componente di dimensioni massime di soli 25 mm e una massa di 10 g sono le migliori, come ad esempio richiesto per custodie per orologi, spine per telefoni cellulari e cerniere per computer portatili. L'aumento dei costi per i metodi di produzione tradizionali inerenti alla complessità delle parti, come filettature interne / esterne, miniaturizzazione o marcatura di identità, in genere non aumenta i costi in un'operazione MIM a causa della flessibilità dello stampaggio a iniezione.
Altre capacità di progettazione che possono essere implementate nell'operazione MIM includono codici prodotto, numeri di parte o timbri data; parti fabbricate in base al loro peso netto, riducendo sprechi e costi di materiale; Densità controllata entro il 95–98%; Amalgamazione di parti e geometrie 3D complesse .
La capacità di combinare più operazioni in un unico processo garantisce che MIM abbia successo nel risparmio dei tempi di consegna e dei costi, offrendo vantaggi significativi ai produttori. Il processo di stampaggio ad iniezione di metalli potrebbe essere una tecnologia ecologica a causa della significativa riduzione degli sprechi rispetto ai metodi di produzione "tradizionali" come la lavorazione CNC a 5 assi. Tuttavia, alcune delle operazioni precedenti generano emissioni tossiche come la formaldeide, eliminano i solventi clorurati e devono bruciare cera o altri polimeri, portando a emissioni di gas serra.
C'è un'ampia gamma di materiali disponibili quando si utilizza il processo MIM. I processi tradizionali di lavorazione dei metalli comportano spesso una notevole quantità di rifiuti materiali, il che rende MIM un'opzione altamente efficiente per la fabbricazione di componenti complessi costituiti da leghe costose / speciali ( cromo-cobalto , acciaio inossidabile 17-4 PH , leghe di titanio e carburi di tungsteno ). Il MIM è un'opzione praticabile quando sono richieste specifiche di pareti estremamente sottili (cioè 100 micrometri). Inoltre, i requisiti di schermatura EMI ( interferenza elettromagnetica ) hanno presentato sfide uniche, che sono state raggiunte con successo attraverso l'utilizzo di leghe speciali.