Qual è la differenza tra CNC e MIM?

Lo scorso trimestre un'azienda di dispositivi medici ci ha inviato un componente che lavorava da tre anni. Staffa in acciaio inossidabile, 47 funzioni, $ 23 al pezzo, 60.000 unità all'anno. Volevano sapere se MIM poteva ridurre i costi.

 

Abbiamo eseguito l'analisi. Gli strumenti MIM costerebbero $ 52.000. Il costo per-pezzo scenderebbe a $ 4,20. Il pareggio-è pari a 2.766 unità, in modo da recuperare l'investimento in attrezzature nel primo mese di produzione e successivamente risparmiare 1,1 milioni di dollari all'anno.

 

Non si sono scambiati.

 

La staffa aveva due fori che richiedevano ±0,02 mm per l'adattamento a pressione del cuscinetto. Il MIM a ±0,3% su quelle caratteristiche da 18 mm darebbe ±0,054 mm, quasi tre volte troppo lento. Potremmo eseguire il MIM del corpo e la finitura CNC-dei fori, ma questo approccio ibrido ha un prezzo di $ 7,80/pezzo. Si risparmia comunque denaro, ma non la drastica riduzione che desideravano.

Tolleranza

È qui che muoiono la maggior parte dei progetti MIM. Scale di tolleranza MIM come percentuale, ±0,3% standard, ±0,1% ottimizzato. Gli ingegneri vedono ±0,3% e pensano "strettamente". Su piccole funzionalità, lo è.

Il CNC mantiene la tolleranza assoluta. MIM scala con le dimensioni. Quel foro da 50 mm a ± 0,05 mm? MIM non può toccarlo senza una lavorazione secondaria.

Ma quando le tolleranze si rispettano, il risparmio è reale. Il programma di strumenti chirurgici di Spine Wave è il caso a cui facciamo più riferimento perché i numeri sono pubblici e la storia è completa. Si sono rivolti al loro fornitore MIM con un componente di blocco della spedizione per il dispositivo di fusione spinale Velocity®. La parte veniva lavorata a 18 dollari al pezzo, non eccessivo per un componente medico, ma erano necessarie 75.000 unità all'anno. Spesa annuale per la lavorazione: 1,35 milioni di dollari.

La valutazione del MIM è durata quattro mesi. Gli strumenti costano $ 38.000. I primi articoli richiedevano due regolazioni del ciclo di sinterizzazione per raggiungere le specifiche dimensionali. Il costo per-pezzo è arrivato a $ 2,80. Totale del primo anno: $ 248.000 compreso l'ammortamento degli utensili. Hanno risparmiato oltre un milione di dollari nel primo anno. Entro il terzo anno, i risparmi cumulativi hanno superato i 3,2 milioni di dollari.

Processo

MIM è una sequenza di trasformazioni. La polvere metallica, da 2 a 20 micron di diametro, viene miscelata con il legante termoplastico in una percentuale di circa il 60% di polvere e il 40% di legante in volume. La miscela si comporta come la plastica durante l'iniezione. Scorre nelle cavità dello stampo e si solidifica in "parti verdi" che sembrano corrette ma non hanno integrità strutturale.

La parte verde viene sottoposta a deceraggio, decomposizione termica o estrazione con solvente, per rimuovere il polimero. Ciò che rimane è una "parte marrone": polvere metallica tenuta insieme dall'attrito e dal legante residuo. Abbastanza fragile da crollare se lo gestisci in modo sbagliato.

La parte marrone entra in un forno di sinterizzazione che funziona all'85-95% del punto di fusione della lega. Nel corso di 15-20 ore, la diffusione allo stato solido lega le particelle di polvere. La parte si restringe del 15-20% in tutte le dimensioni man mano che la porosità collassa e la densità aumenta. Una parte stampata a 60 mm esce dalla sinterizzazione a 48-51 mm.

Il ritiro è prevedibile nel complesso ma non perfettamente uniforme. La gravità influisce sulle parti in modo diverso a seconda dell'orientamento del forno. La distribuzione di massa influenza i tassi di ritiro locale. La variazione dello spessore della parete crea un restringimento differenziale che deforma le parti.

Abbiamo visto parti uscire dalla sinterizzazione dimensionalmente corrette e parti dello stesso stampo uscire distorte perché qualcuno ha caricato in modo errato il vassoio del forno. Questo genere di cose accade più di quanto i fornitori vogliano ammettere. Lo sviluppo di dispositivi di sinterizzazione e supporti che sostengono la geometria della parte durante il ciclo termico di ore-lungo è un lavoro di ingegneria, non una merce. I fornitori senza esperienza su parti geometricamente simili eseguiranno l'iterazione dei progetti di attrezzature a tue spese.

I fallimenti

Il controllo dell'atmosfera nel forno di sinterizzazione determina se il materiale funziona effettivamente secondo le specifiche. Gli acciai inossidabili necessitano di idrogeno o atmosfera sotto vuoto. Un'atmosfera sbagliata, o la contaminazione dell'atmosfera dovuta a un forno sporco, provoca la migrazione del cromo dalla superficie. Le parti sembrano a posto. Controllo delle dimensioni. Ma la resistenza alla corrosione viene distrutta perché il cromo superficiale è impoverito. Abbiamo rifiutato le parti MIM in arrivo da altri fornitori che hanno superato l'ispezione dimensionale ma non hanno superato il test in nebbia salina in meno di 100 ore.

Le parti MIM mantengono una porosità dell'1-4%. Questi vuoti intrappolano qualsiasi contaminazione esistente nel vostro ambiente: refrigerante per la lavorazione, olio da taglio, umidità atmosferica.

Due anni fa abbiamo avuto un cliente che ha richiesto il MIM sulle staffe strutturali per ridurre i costi. La produzione è andata avanti senza intoppi per otto mesi. Quindi il team di assistenza sul campo ha provato a saldare una staffa durante la riparazione dell'attrezzatura.

La saldatura è fallita. Ripetutamente.

La contaminazione intrappolata che vaporizzava attraverso il bagno di saldatura creava porosità e inclusioni che distruggevano l'integrità del giunto. Dovevano qualificare un nuovo fornitore CNC per i pezzi di ricambio. Il "risparmio sui costi" ottenuto dal MIM si è trasformato in costi di approvvigionamento di emergenza, ritardi nell'assistenza sul campo e problemi di relazione con i clienti.

Se le tue parti potrebbero aver bisogno di saldatura, per assemblaggio, riparazione o modifica sul campo, MIM è squalificato.

La stanchezza è un’altra cosa su cui riceviamo domande. Macchine per barre lavorate con densità del 100% con struttura della grana coerente. MIM sinterizza alla densità del 96-99% con microporosità distribuita. La resistenza statica è equivalente. Abbiamo testato parti MIM 17-4PH rispetto alle specifiche di lavorazione e corrispondono in termini di trazione, snervamento e durezza. 17-4PH H900 funziona a 1070-1190 MPa UTS, resa 970-1090 MPa, 35-40 HRC. 316L raggiunge un minimo di 520 MPa con un'eccellente resistenza alla corrosione quando l'atmosfera di sinterizzazione è adeguatamente controllata. Ma quei micropori agiscono come concentratori di stress sotto carico ciclico. Per le parti che prevedono 10^7+ cicli, alberi rotanti, staffe soggette a vibrazioni, qualsiasi cosa con problemi di risonanza, il materiale lavorato supera il MIM. La pressatura isostatica a caldo può chiudere la porosità e recuperare le prestazioni a fatica, ma ciò aggiunge $ 10-25 per parte.

Finitura superficiale: il MIM come-sinterizzato raggiunge Ra 0,8-1,6μm, più liscio rispetto al CNC standard con Ra 3,2μm. La densità è del 96-99%, o 99%+ con HIP. Standard se ne hai bisogno: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.

Volume

Formula del pareggio-: costo degli strumenti MIM diviso per il risparmio per-pezzo. Uno stampo da 40.000 dollari con un risparmio di 14 dollari al pezzo va in pareggio con 2.857 unità. Al di sopra di quel volume, ogni parte risparmia $ 14. Con un volume annuo di 50.000, ovvero $ 700.000 all'anno.

Solo circa la metà degli stampi MIM da noi quotati entra in produzione. Le modifiche al progetto dopo l'avvio degli strumenti costano $ 2.000-15.000 per modifica. I programmi che perseguono la riduzione dei costi prima della stabilità del progetto finiscono per pagare due volte per gli strumenti.

Lavora con macchine CNC tutto ciò che puoi aggiustare. Alluminio, titanio, Inconel, ottone, plastica, compositi, nessuna restrizione oltre alla lavorabilità. La selezione del materiale MIM dipende dalle formulazioni consolidate delle materie prime. Gli acciai inossidabili costituiscono il 50-57% della produzione globale di MIM. 316L per la resistenza alla corrosione, 17-4PH per la resistenza, 420 per l'usura. Acciai bassolegati (4140, 4340, Fe-2Ni) per trattamenti termici o proprietà magnetiche. Acciai per utensili M2 e H13 per resistenza all'usura, sebbene il controllo del carbonio durante la sinterizzazione richieda un attento sviluppo del processo. Titanio Ti-6Al-4V per uso medico e aerospaziale, sinterizzato sotto vuoto. Cosa non funziona: alluminio, leghe di rame, metalli puri.

Utilizzo del materiale: il CNC converte il 20-50% della billetta in parti, il resto diventa trucioli. Le parti complesse potrebbero sprecare il 70-80%. L'utilizzo delle materie prime MIM è pari al 95-97% con il riciclaggio dei canali. Per il titanio a $ 60/kg, una parte lavorata da una billetta da 180 g a una finitura da 40 g spreca 140 g di materiale, ovvero $ 8,40 in rottami prima di tagliare un singolo truciolo. MIM produce quella parte da circa 42 g di materia prima.

Quando funziona

MIM vince quando si hanno geometrie complesse che richiedono più operazioni CNC. Caratteristiche interne, sottosquadri, pareti sottili, caratteristiche che richiederebbero lavorazione a 5 assi o elettroerosione. Le parti in cui i costi di lavorazione ammontano a $ 25-50/pezzo spesso costano meno di $ 5/pezzo in MIM.

Programma di palette del turbocompressore di AFT: 180+ milioni di parti prodotte per BMW, Ford, Tesla, Caterpillar. Profili del profilo alare con una tenuta di ±0,015 mm, più stretti rispetto al MIM standard grazie a strumenti ottimizzati e controllo del processo con una riduzione dei costi di . 20% rispetto alla fusione di precisione su volumi automobilistici. Documentato su pim-international.com. Quel programma richiedeva anni di investimenti nello sviluppo, non qualcosa da replicare su una sequenza temporale di sei-mesi.

Il CNC vince su parti in alluminio e rame, caratteristiche di tolleranza stretta- inferiore a ±0,1%, applicazioni che richiedono saldabilità, programmi che richiedono la completa tracciabilità dei materiali (aerospaziale, nucleare), parti con volume annuo inferiore a 5.000 e geometrie che lavorano in modo efficiente. Semplici parti tornite su torni CNC potrebbero non giustificare mai l'utensileria MIM, indipendentemente dal volume.

L'ibrido funziona quando è necessaria l'economia MIM su geometrie complesse ma le caratteristiche richiedono precisione CNC. MIM il corpo, lavora i fori critici.