La pulvimetalurgia (PM) es una excelente manera de producir piezas pequeñas y complejas. Sin embargo, presenta dificultades para fabricar piezas en miniatura con características finas, como paredes delgadas.
El proceso de moldeo por inyección de metal (MIM) es una tecnología prometedora capaz de producir piezas complejas con diámetros tan pequeños como 2 mm.
Contenido
¿Qué es el moldeo por inyección de metal?
El proceso de moldeo por inyección de metal combina pulvimetalurgia convencional con moldeo por inyección de plástico.
Se mezclan polvo metálico fino y aglutinantes para crear la materia prima. Esta se moldea posteriormente en una máquina de moldeo por inyección, seguida de desaglomerado y sinterización para obtener el producto final.
Pasos del proceso de moldeo por inyección de metal
En comparación con el plástico, los polvos metálicos MIM son más corrosivos. Por lo tanto, los moldes MIM se fabrican principalmente con acero para herramientas y cuentan con un revestimiento resistente al desgaste en sus superficies. El proceso de moldeo por inyección de metal suele incluir los siguientes pasos.
Mezcla
El propósito del proceso de mezcla es obtener una capa uniforme de aglutinante sobre la superficie de las partículas metálicas.
Primero, se coloca el polvo metálico en la mezcladora para precalentarlo. Luego, se añade el aglutinante y se mezcla con el polvo metálico. La proporción volumétrica entre el polvo metálico y el aglutinante es de aproximadamente 6:4.
Tras una buena mezcla, se obtiene la materia prima para inyección. Esta se extruye como si fueran fideos. A continuación, el granulador la muele en trozos del tamaño de un grano de arroz antes de introducirla en la máquina de inyección de metal.
Si se requiere mezclar más, será necesario utilizar un mezclador de alto cizallamiento.
Las funciones de los enlazadores en MIM son las siguientes:
- Mejorar la fluidez del polvo metálico.
- Darle a la materia prima una cierta adherencia
- Ayuda a formar piezas verdes
- Ayuda para desmoldar
Moldeo por inyección
- Primero, el molde se cierra y el tornillo comienza a moverse hacia adelante para inyectar la materia prima.
- La materia prima se calienta a unos 200 °C y llena toda la cavidad del molde.
- Una vez finalizada la inyección, se debe aplicar presión de mantenimiento para compensar la contracción de la materia prima.
- La compuerta está congelada, el material fundido en el tubo no puede ingresar a la cavidad del molde y el material fundido en la cavidad del molde continúa enfriándose.
- Luego se abre el molde y se expulsa la pieza expulsando el pasador.
Durante el moldeo por inyección hay varios factores a los que debes prestar atención.
- Velocidad de inyección
Una velocidad de inyección demasiado lenta puede causar defectos superficiales. Una velocidad de inyección demasiado alta que impida que el aire de la cavidad escape por los respiraderos del molde puede causar vacíos.
- Punto de conmutación y método
El punto de conmutación es el punto de inflexión entre la presión de inyección y la presión de mantenimiento. Los cuatro métodos de conmutación más utilizados son la posición, el hidráulico, el tiempo y la presión de la cavidad.
- Presión de mantenimiento en el moldeo por inyección
Durante el moldeo por inyección, debido a la baja temperatura dentro del molde, la materia prima se contrae ligeramente al enfriarse. Por lo tanto, durante la etapa de enfriamiento, es necesario continuar aplicando presión e inyectar una pequeña cantidad de materia prima para compensar la contracción. Esto se conoce como presión de mantenimiento.
Según 3 ERP, la presión de mantenimiento es aproximadamente el 50-65% de la presión de inyección.
- Tiempo de enfriamiento
El enfriamiento permite que la pieza se solidifique por completo. Si el componente se enfría demasiado poco, podría dañarse durante el proceso de expulsión.
Desaglomerado
El desaglomerado eliminará la mayoría de los aglutinantes de la pieza verde. Esto sirve para evitar defectos en el producto o afectar sus propiedades mecánicas durante el proceso de sinterización posterior. Tras el desaglomerado, se obtiene una pieza porosa, frágil y de baja densidad, conocida como "pieza marrón".
El tiempo de desaglomeración está relacionado con los siguientes factores:
- Método de desaglomeración
- Tamaño de parte
- Tamaño de partícula del polvo
Por ejemplo, la misma pieza moldeada a partir de polvo de cobre aerosolizado de 20 μm, polvo de hierro carbonílico de 10 μm y polvo de óxido de aluminio de 1 μm.
Requieren 3 horas, 6 horas y 22 horas de tiempo de desaglomeración del disolvente respectivamente.
1. Desunión térmica
En el proceso de desaglomerado térmico, la pieza verde se coloca en un horno de calentamiento para eliminar el aglutinante. Normalmente, se introduce aire, gas inerte o gas reductor en el horno. Es importante prestar especial atención a la velocidad de calentamiento. Si el aglutinante se evapora demasiado rápido, la pieza puede presentar defectos como desprendimiento, deformación, formación de ampollas, etc.
La ventaja del desaglomerado térmico es su bajo costo. La desventaja es que requiere mucho tiempo, pudiendo durar 24 horas o más.
2. Desaglomeración con disolventes
Para acortar el tiempo de desaglomerado, se creó el desengrasado con disolventes. Este método consiste en colocar las piezas verdes en disolventes de hexano, heptano o tricloroetileno. El método permite disolver la parafina y el ácido esteárico de los aglutinantes en el disolvente. Tras el desaglomerado con disolventes, puede ser necesario un desengrasado térmico. El objetivo es eliminar los aglutinantes que no se disuelven en el disolvente, como el polietileno y el polipropileno.
Según el “Estudio de los parámetros de desaglomeración con solventes para acero inoxidable 316L moldeado por inyección de metal”, la temperatura y el tiempo óptimos para el desengrasado con solventes del acero inoxidable 316L son 60 ℃ y 240 minutos.
Las ventajas del desaglomerado térmico con disolventes son un ciclo de desengrasado más corto y una buena retención de la forma del producto. Las desventajas son un mayor coste y el posible impacto ambiental de los disolventes.
3. Desunión catalítica
El desaglomerante catalítico utiliza gases ácidos, como el ácido nítrico y el ácido oxálico, para descomponer algunos adhesivos. El desaglomerante catalítico ofrece una excelente retención de la forma del producto y una rápida velocidad de desengrasado. Sin embargo, solo es aplicable a adhesivos que contienen poliacetal.
4. Desunión con fluidos supercríticos
En la desaglomeración con fluidos supercríticos, se utiliza CO₂ líquido como disolvente para eliminar la parafina a temperaturas de entre 2 y 508 °C. El proceso es prometedor, ya que consume CO₂, lo cual es beneficioso para el medio ambiente.
En comparación con el desaglomerado térmico y con solventes, ofrece velocidades de desaglomerado más rápidas y menos defectos en las piezas. Sin embargo, el proceso requiere altas temperaturas y presiones, por lo que solo es adecuado para piezas muy pequeñas. De lo contrario, se utilizan cámaras de gran tamaño, lo que puede disparar los costos.
Sinterización MIM
La sinterización MIM es similar a la convencional sinterización de pulvimetalurgia.
La sinterización se divide principalmente en los tres pasos siguientes:
- Precalentamiento
El precalentamiento sirve para eliminar aún más los aglutinantes y difundir y fusionar inicialmente las partículas.
- sinterización
Las piezas marrones se sinterizan a una temperatura inferior al punto de fusión. Durante la sinterización, las partículas metálicas se fusionan, eliminando los poros. Además, es necesario introducir gases protectores como hidrógeno, nitrógeno y argón para evitar la oxidación del producto.
- Enfriamiento
Las piezas sinterizadas se enfrían gradualmente a temperatura ambiente. El objetivo del enfriamiento es eliminar la tensión térmica durante el proceso de sinterización. Esto puede evitar grietas en las piezas.
Por lo general, el tiempo de precalentamiento es de 45 a 60 minutos, el tiempo de sinterización es de aproximadamente una hora y el tiempo de enfriamiento es de aproximadamente 2 horas.
A diferencia de la pulvimetalurgia, las piezas de moldeo por inyección de metal presentan una mayor tasa de contracción durante la sinterización, de entre el 15 % y el 20 %. Esto puede requerir una temperatura y un tiempo de sinterización más elevados.
La siguiente tabla muestra la temperatura y la atmósfera de sinterización de algunos metales comúnmente utilizados.
| Materiales | sinterización
temperatura (℃) |
sinterización
ambiente |
| FN02 | 1180-1290 | Nitrógeno |
| FN50 | 1180-1280 | Nitrógeno |
|
M2 |
1180-1250 | Nitrógeno |
| M4 | 1180-1250 | Nitrógeno |
| T15 | 1200-1270 | Nitrógeno |
| 17-4PH | 1200-1360 | Hidrógeno |
| 316L | 1250-1380 | Hidrógeno |
| 410 | 1250-1375 | Hidrógeno |
| 420 | 1200-1340 | Nitrógeno |
| 440C | 1200-1280 | Nitrógeno |
| 304 | 1250-1375 | Hidrógeno |
| Oeste–Cu | 1150-1400 | Hidrógeno |
| Cu puro | 950-1050 | Hidrógeno |
| Bronce | 850-1000 | Hidrógeno |
| Titanium | 1130-1220 | Argón/Vacío |
| Ti-6Al-4V | 1140-1250 | Argón/Vacío |
| Inconel 718 | 1200-1280 | Aspiradora |
Procesos secundarios
Después de la sinterización, el MIM partes Puede necesitar un procesamiento secundario según las necesidades, como mecanizado, tratamiento térmico y acabado de superficies.
Materiales MIM
Materiales de moldeo por inyección de metal Incluye metal y aglutinantes.
Aglutinantes MIM
- Aglutinantes a base de cera
Está hecho de polietileno y polipropileno como aglutinantes de esqueleto, y su proporción es del 30% en peso. El resto es parafina y una pequeña cantidad de lubricante y activador.
- Aglutinantes a base de agua
Los aglutinantes a base de agua se componen principalmente de agua y polímeros. Su toxicidad es relativamente baja, por lo que son más respetuosos con el medio ambiente, pero el tiempo de desaglomeración y secado es prolongado.
- Aglutinantes a base de disolventes
Tiene un tiempo de secado corto y es fácil de moldear, pero la toxicidad es mayor.
La siguiente tabla muestra algunos aglutinantes metálicos utilizados en el moldeo por inyección de metal.
| Metal | Carpeta |
| acero inoxidable 316L |
l 30% cera de parafina 10% cera de carnauba, l 10% cera de abejas, l 45% de polipropileno l 5% de ácido esteárico |
| 17-4 PH acero inoxidable |
l 64% cera de parafina, l Cera de parafina microcristalina al 16%, l 15% de etileno acetato de vinilo, l 5% polietileno de alta densidad |
|
Cobre |
l 65% cera de parafina l 30% polietileno l 5% de ácido esteárico |
| aleación de hierro y níquel |
l 79% cera de parafina l 20% de etileno acetato de vinilo l 1% de ácido esteárico |
| Aleación de W–Cu |
l 35% de polipropileno l 60% cera de parafina l 5% de ácido esteárico |
MIM Metal
- Acero inoxidable: 17-4, 316L, 420, 440C, 310
- Tool Steel: M2, M4, T15, S7, M42
- Titanio: Ti, Ti-6AI-4V, Ti-6Al-7Nb
- Magnético: Fe49Co2V, Fe50Ni, Fe3Si
- Níquel: Inconel 625, Inconel 718
- Wolframio
- Cobre
- Aluminio
Máquina MIM
El proceso de moldeo por inyección de metal requiere equipos de mezcla de polvo, máquinas de moldeo por inyección y hornos de sinterización.
Mezclador
Los mezcladores de alto cizallamiento más comunes incluyen:
- rodillo de corte
- extrusora de un solo tornillo
- extrusora de doble tornillo
- camara gemela
- doble planetario
- Mezclas de cuchillas Z
La extrusora de doble tornillo es la más favorecida por su alta tasa de cizallamiento y su corto tiempo de permanencia.
Máquina de moldeo por inyección de metal
Máquina de moldeo por inyección de metal Se compone de unidad de inyección, unidad de sujeción y unidad hidráulica.
La unidad de inyección se encarga de alimentar la materia prima al molde. La unidad de sujeción se encarga de formar y expulsar la pieza verde. La unidad hidráulica proporciona la potencia.
Horno de sinterización
Convencional hornos de sinterización de pulvimetalurgia También son adecuados para MIM, incluidos hornos continuos y hornos discontinuos.
Aplicaciones de moldeo por inyección de metales
Debido a que el moldeo por inyección de metal puede producir piezas pequeñas con formas complejas y es adecuado para la producción en masa, se utiliza ampliamente en los campos de la medicina, la industria aeroespacial, la electrónica, la automoción, etc.
Motorium
MIM puede fabricar balancines de motor con configuración hueca. Esto reduce el peso del producto y favorece el consumo de combustible.
Otros comunes incluyen:
- Inyectores de combustible
- Turbocompresores
- Guías de válvulas,
- Piñones de árbol de levas
- Tapa de biela
Aeroespacial
El MIM tiene una alta capacidad de diseño, lo que lo hace popular en el sector aeroespacial. Por ejemplo, MIM fabrica piezas de cinturones de seguridad, boquillas de pulverización, brazos de álabes y piezas de placa.
Industrias médicas
MIM puede fabricar piezas de precisión extremadamente complejas, ideales para aplicaciones médicas, como brackets de ortodoncia, implantes dentales, herramientas quirúrgicas, etc.
Vitrinas y Dispositivos Electrónicos
El proceso de moldeo por inyección de metal tiene un amplio mercado en productos electrónicos. Por ejemplo: soportes para cámara de teléfonos móviles, bisagras plegables para teléfonos, accesorios para lápices capacitivos y bandejas para tarjetas de teléfonos inteligentes.
Ventajas y desventajas del moldeo por inyección de metales
Ventajas
- MIM permite formar piezas con formas complejas en un solo paso. Esto acorta los ciclos de producción y reduce el coste del procesamiento secundario.
- Las piezas MIM presentan una buena rugosidad superficial. MIM puede alcanzar una rugosidad superficial de 1 μm Ra. Esto resulta muy beneficioso para la fabricación de productos con altos requisitos estéticos, como accesorios para teléfonos móviles, relojes y decoración.
- Puede producir piezas de metal en polvo casi totalmente densas con una densidad del 95% al 99%.
- Para la producción en masa solo se requiere un único conjunto de costos de molde.
Desventajas
- El coste de producción de MIM es varias veces el del proceso de pulvimetalurgia convencional.
- No es posible fabricar piezas más grandes. Las piezas MIM típicas tienen aproximadamente el tamaño de una pelota de ping-pong.
- Dado que el moldeo por inyección de metal puede alcanzar una densidad superior al 95%, la tasa de contracción durante la sinterización es del 10% al 20%. La tasa de contracción de los productos terminados es alta y sus dimensiones no son fáciles de controlar.
En el proceso de moldeo por inyección de metal, somos conscientes de la considerable variación en las tasas de contracción de las piezas moldeadas. Por lo tanto, mantener un rango de tolerancia estrecho de ±0.3 % para las piezas es todo un reto.
La mayor parte de la variación de la contracción en el MIM se debe a la densidad desigual de la materia prima durante el proceso de moldeo por inyección. Por lo tanto, en la producción práctica, nos centramos en los siguientes parámetros:
- Mantenga la presión
- Hora de espera
- Temperatura del molde
- Velocidad de inyección
- Uniformidad de la materia prima
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Preguntas Frecuentes
1. ¿Cuáles son las diferencias entre el moldeo por inyección de metal y la fundición a presión?
El moldeo por inyección de metal es ideal para producir piezas pequeñas y complejas, mientras que la fundición a presión es adecuada para piezas más grandes. Diferencia entre MIM y fundición a presión Está en las materias primas.
El MIM es el proceso de formación de un producto final mediante moldeo por inyección de polvo metálico. La fundición a presión es el proceso de llenar un molde con metal fundido para formar un producto terminado.
2. ¿Cuáles son las diferencias entre el moldeo por inyección de metal y el moldeo por inyección de plástico?
El moldeo por inyección de metal y el moldeo por inyección de plástico utilizan materias primas diferentes. El proceso de moldeo por inyección de metal es más complejo y su costo es mayor.
3. ¿Cuánto tiempo tarda el moldeo por inyección de metal?
El moldeo por inyección de metal demora aproximadamente entre 24 y 36 horas, incluido el proceso de desunión y sinterización. La fundición a presión es el proceso de llenar un molde con metal fundido para formar un producto terminado.