Alcuni clienti si sono rivolti a noi con progetti di strumenti MIM dopo essersi scottati altrove. Un fornitore automobilistico ha trascorso otto mesi a sviluppare un componente di ingranaggio con un fornitore che non comprendeva la compensazione del ritiro dovuto alla sinterizzazione. L'attrezzatura ha prodotto parti sottodimensionate di 0,4 mm in ogni dimensione critica. Dovevano ricominciare da capo. Quell’esperienza ci ha insegnato che la maggior parte dei fallimenti del PM sono riconducibili a principi fondamentali che qualcuno ha trascurato o presumeva che avrebbero risolto.
Come funziona
Per la pressatura convenzionale-e-sinterizzazione PM, hai a che fare con polvere di circa 50 micron. Abbastanza grossolano da poterlo vedere se guardi da vicino. Le presse idrauliche applicano 150-700 MPa per compattare questa polvere in stampi rigidi. Quello che ne viene fuori è chiamato un patto "verde". Mantiene la forma attraverso l'incastro meccanico ma non ha ancora una vera forza. La densità si colloca tra il 60 e il 90% del valore teorico.
La sinterizzazione avviene in forni ad atmosfera controllata. I materiali a base di ferro- raggiungono i 1.120 gradi. Gli acciai inossidabili necessitano di temperature più elevate, tipicamente 1.250-1.400 gradi. Durante questa fase, gli atomi si diffondono attraverso i confini delle particelle. La parte si densifica e si restringe leggermente, solitamente dello 0,1-0,3%.
MIM è un animale diverso.
La polvere è molto più fine, circa 8 micron, mescolata con leganti polimerici per creare una materia prima che si comporta come la plastica durante l'iniezione. Questa materia prima viene iniettata negli stampi a 50-200 MPa. Dopo lo stampaggio, si rimuove il legante attraverso processi termici o solventi, quindi si sinterizza. Il ritiro durante la sinterizzazione MIM è del 15-20%. Perdilo nella progettazione degli strumenti e avrai degli scarti.
Una cosa che sorprende i team di approvvigionamento: la polvere MIM costa 3-5 volte la polvere PM convenzionale. I processi di atomizzazione del gas e di decomposizione del carbonile richiesti per le particelle sferiche fini sono costosi. Questo costo è evidente in ogni preventivo e alcuni fornitori non spiegano perché i loro preventivi MIM sono molto più alti rispetto alle alternative di stampa-e-sinterizzazione per parti apparentemente simili.
MIM contro Press-e-Sinter
| PM convenzionale | MIM | |
|---|---|---|
| Peso parziale | Da 0,68 g a 6,8 kg | Meno di 50 g tipico, 150 g max |
| Densità | 85-92% | 95-99% |
| Muro più sottile | Circa 2 mm | 0,3 mm possibile |
| Tolleranza | ±0.3-0.5% | ±0,3% o migliore |
| Geometria | Per lo più 2D | Sottosquadri, filettature,-fori trasversali |
| Utensileria | $2,000-$10,000 | $10,000-$50,000 |
| Pareggio del volume-even | 5.000/anno | 10.000/anno |
Il limite del PM convenzionale deriva dalla direzione pressante. Stai applicando una forza assiale, quindi le caratteristiche perpendicolari a quell'asse sono difficili. Discussioni interne? Non sta accadendo. I fori trasversali-richiedono una lavorazione secondaria.
MIM rimuove questi vincoli ma ne aggiunge di nuovi. Le parti superiori a 150 g incontrano sfide di debinding. La variazione dello spessore della parete oltre il ±40-60% provoca una deformazione che è quasi impossibile da fissare durante la sinterizzazione.
L'anno scorso un cliente ci ha chiesto informazioni su un componente MIM da 200 g con un rapporto di spessore della parete di 4:1. Abbiamo detto loro che non avrebbe funzionato. Si sono comunque rivolti a un altro fornitore, hanno speso 45.000 dollari in attrezzature e sono tornati sei mesi dopo, dopo aver abbandonato il progetto. Alcune geometrie semplicemente non si adattano al MIM, indipendentemente da ciò che promette un team di vendita affamato.
Contro altri metodi di produzione
Il PM vince sull’utilizzo dei materiali. Stai utilizzando il 95-97% del materiale in ingresso. La lavorazione CNC converte forse la metà del tuo stock in trucioli.
L'ingranaggio della pompa dell'olio di un veicolo commerciale che abbiamo preventivato rispetto alla lavorazione è arrivato al 32% del costo di lavorazione. Il risparmio del 68% è derivato quasi interamente dal materiale e dal tempo di ciclo.
Ma la lavorazione meccanica presenta vantaggi che la PM non può toccare. Tolleranze di ±0,01 mm sono di routine. Qualsiasi materiale tu voglia. Quantità prototipo che abbiano senso economico. Al di sotto di circa 1.000 unità all'anno, i conti di solito favoriscono la lavorazione anche per le geometrie che PM gestisce bene.
La pressofusione vince per le parti semplici più grandi in cui il tempo di ciclo determina i costi. Il PM offre un migliore controllo microstrutturale e una porosità intenzionale quando ne hai bisogno per cuscinetti o filtri.
La forgiatura produce parti più resistenti. Resistenza alla trazione superiore di circa il 26% rispetto alle leghe equivalenti, porosità prossima allo zero, allineamento del flusso dei grani che migliora la resistenza alla fatica. Abbiamo visto clienti specificare la PM per applicazioni che necessitavano realmente di forgiatura, per poi affrontare i guasti sul campo.
Sulle proprietà meccaniche: l'acciaio PM raggiunge 900 MPa di trazione come-sinterizzato, 1.200 MPa dopo il trattamento termico. MIM 316L con densità del 97% funziona a 520-650 MPa con un allungamento del 35-50%. Vicino alle proprietà lavorate ma non identiche.
Applicazioni
I componenti della trasmissione automobilistica dominano il volume del PM. GKN fornisce ricambi per trasmissioni Ford F-150 10-velocità e GM 9-velocità. MPIF documenta oltre 750 applicazioni automobilistiche PM (mpif.org). Il contenuto di particolato per veicolo ammonta a circa 25 kg per i camion, scendendo a circa 2,3 kg per i veicoli elettrici a batteria poiché le trasmissioni semplificano.
I dispositivi medici favoriscono il MIM. Le ganasce delle suturatrici chirurgiche prodotte come componenti MIM-pezzo singolo hanno sostituito i gruppi che richiedevano 12 parti lavorate.
L'elettronica di consumo ha guidato la crescita dei volumi di MIM negli ultimi dieci anni. Il connettore Lightning di Apple gestiva la produzione MIM di decine di milioni a settimana. La cerniera OPPO Find N2 Flip ha 136 parti, molte MIM.
Il settore aerospaziale utilizza il PM per applicazioni estreme. La produzione additiva a base di polvere-di GE per gli ugelli del carburante consente di ridurre il peso del 25%. I dischi delle turbine della Rolls-Royce utilizzano superleghe PM per i componenti rotanti-critici per il volo.
Ciò che fa inciampare le persone
Un macchinista ci ha chiamato dopo che la sua officina ha avuto problemi con un componente PM per tre settimane. Lo descrisse come "lavorazione di pura abrasione". La parte è stata testata con una durezza ragionevole ma è stata consumata tramite utensili standard. Risulta che il particolato può contenere particelle molto dure disperse nella matrice che i test di durezza in massa non rivelano.
La sua soluzione: maschi rivestiti in TiN-, senza refrigerante. I trucioli secchi non si attaccano alla porosità. Aveva gestito parti di PM in questo modo per vent'anni con risultati costanti.
Dal punto di vista del controllo qualità, è in corso un dibattito nei settori che utilizzano ampiamente il MIM. Un macchinista con cui abbiamo parlato lo ha detto senza mezzi termini: il processo funziona bene, ma la qualità dipende interamente dall'officina che lo gestisce. I buoni fornitori producono parti coerenti. I cattivi fornitori si nascondono dietro la "variabilità intrinseca" come scusa.
Abbiamo visto questo svolgersi. Un cliente ha cambiato fornitore MIM per risparmiare il 12% per pezzo. Il tasso di rifiuto è passato dallo 0,3% al 4,2%. I risparmi sono scomparsi nei costi di smistamento e nei ritardi di produzione.
Quando si valutano i fornitori MIM, richiedere i dati Cpk sulle dimensioni critiche. Chiedi informazioni sul-monitoraggio in corso. Verifica che le certificazioni corrispondano al tuo settore. IATF 16949 per l'automotive. AS9100D per il settore aerospaziale. ISO 13485 per il settore medico.
Specifiche dell'approvvigionamento
I tempi di consegna sono di 6-12 settimane per gli utensili. Aggiungere 1-2 settimane per PPAP su lavori automobilistici. I primi articoli richiedono 8-14 settimane dal rilascio del design. Ordini ripetuti: 4-8 settimane MIM, 2-4 settimane per parti PM stabilite.
I vincoli di progettazione contano. Lo spessore della parete MIM funziona meglio a 1,0-3,0 mm. Minimo 0,5 mm, massimo circa 12,5 mm. Mantenere le variazioni entro ±40-60%. Gli angoli necessitano di raggi di 0,5 mm per il flusso della polvere.
Perché stiamo scrivendo questo
Costruiamostampi ad iniezione. Gli utensili MIM rientrano in tale capacità e i requisiti di precisione rispecchiano ciò che gestiamo per le applicazioni di iniezione plastica più impegnative. Quando i clienti chiedono se MIM ha senso per la loro geometria, adottiamo le stesse considerazioni trattate qui.
Abbiamo rifiutato progetti che non si adattavano alla tecnologia. Preferiamo perdere un preventivo piuttosto che vedere un cliente spendere sei cifre in attrezzature che non sono in grado di produrre parti accettabili.
Se stai valutando la PM per un'applicazione, esamineremo il tuo progetto prima di impegnarti nella realizzazione degli strumenti. Nessun costo per la valutazione di fattibilità. La conversazione dura solitamente trenta minuti e spiega se la geometria funziona, quali tolleranze sono realistiche e se il volume giustifica l'investimento.
Riferimenti tecnici: MPIF (mpif.org), Mordor Intelligence (mordorintelligence.com)