La metallurgia delle polveri (PM) è un ottimo metodo per produrre componenti piccoli e complessi. Tuttavia, la PM ha difficoltà a realizzare componenti in miniatura con caratteristiche fini, come pareti sottili.
Il processo di stampaggio a iniezione di metallo (MIM) è una tecnologia promettente in grado di produrre parti complesse con diametri pari a soli 2 mm.
Contenuti
Cos'è lo stampaggio a iniezione di metalli?
Il processo di stampaggio a iniezione di metallo combina metallurgia delle polveri convenzionale con stampaggio a iniezione di materie plastiche.
Polvere metallica fine e leganti vengono miscelati per creare la materia prima. La materia prima viene quindi stampata tramite una macchina per stampaggio a iniezione, seguita da deceraggio e sinterizzazione per ottenere il prodotto finale.
Fasi del processo di stampaggio a iniezione di metallo
Rispetto ai materiali plastici, le polveri metalliche MIM sono più corrosive. Pertanto, gli stampi MIM sono realizzati principalmente in acciaio per utensili e presentano rivestimenti antiusura sulle superfici. In genere, il processo di stampaggio a iniezione di metalli comprende le seguenti fasi.
Miscelazione
Lo scopo del processo di miscelazione è quello di ottenere uno strato uniforme di legante sulla superficie delle particelle metalliche.
Per prima cosa, la polvere metallica viene posta nel miscelatore per il preriscaldamento. Quindi viene aggiunto il legante e miscelato con la polvere metallica. Il rapporto in volume tra polvere metallica e legante è di circa 6:4.
Dopo averli mescolati bene, si ottiene il materiale di iniezione, la materia prima. La materia prima viene estrusa come spaghetti. Il granulatore li macina in pezzi delle dimensioni di un chicco di riso prima di inserirli nella macchina per l'iniezione del metallo.
Se è necessaria un'ulteriore miscelazione, è necessario un miscelatore ad alto taglio.
Le funzioni dei leganti in MIM sono le seguenti:
- Migliorare la fluidità della polvere metallica
- Conferire alla materia prima una certa aderenza
- Aiuta a formare parti verdi
- Aiuto nella sformatura
Stampaggio a iniezione
- Per prima cosa, lo stampo si chiude e la vite inizia a muoversi in avanti per iniettare la materia prima.
- La materia prima viene riscaldata a circa 200 °C e riempie l'intera cavità dello stampo.
- Una volta completata l'iniezione, è necessario applicare una pressione di mantenimento per compensare il ritiro del materiale di alimentazione.
- Il cancello è congelato, il materiale fuso nel tubo non può entrare nella cavità dello stampo e continua a raffreddarsi.
- Quindi lo stampo si apre e il pezzo viene espulso espellendo il perno.
Durante lo stampaggio a iniezione ci sono diversi fattori a cui bisogna prestare attenzione.
- Velocità di iniezione
Una velocità di iniezione troppo lenta può causare difetti superficiali. Una velocità di iniezione troppo elevata, che impedisce all'aria presente nella cavità di fuoriuscire attraverso le aperture dello stampo, può causare vuoti.
- Punto e metodo di commutazione
Il punto di commutazione è il punto di flesso tra la pressione di iniezione e quella di mantenimento. I quattro metodi di commutazione comunemente utilizzati sono: posizione, idraulica, tempo e pressione in cavità.
- Mantenere la pressione nello stampaggio a iniezione
Durante lo stampaggio a iniezione, a causa della bassa temperatura all'interno dello stampo, il materiale di partenza subisce un leggero ritiro durante il raffreddamento. Pertanto, durante la fase di raffreddamento, è necessario continuare ad applicare pressione e iniettare una piccola quantità di materiale di partenza per compensare il ritiro. Questa è definita pressione di mantenimento.
Secondo 3 ERP, la pressione di mantenimento è pari a circa il 50-65% della pressione di iniezione.
- Tempo di raffreddamento
Il raffreddamento serve a consentire al componente di solidificarsi completamente. Se il componente si raffredda troppo poco, potrebbe danneggiarsi durante il processo di espulsione.
Rilegatura
Il deceraggio rimuoverà la maggior parte dei leganti nella parte verde. Questo serve a prevenire difetti nel prodotto o a comprometterne le proprietà meccaniche durante il successivo processo di sinterizzazione. Dopo il deceraggio, si ottiene una parte porosa, fragile e a bassa densità. Questa è definita "parte marrone".
Il tempo di deceraggio è correlato ai seguenti fattori:
- Metodo di deceraggio
- Dimensione della parte
- Dimensioni delle particelle di polvere
Ad esempio, la stessa parte è stata stampata da 20 μm di polvere di rame aerosolizzata, 10 μm di polvere di ferro carbonilico e 1 μm di polvere di ossido di alluminio
Rispettivamente richiedono 3 ore, 6 ore e 22 ore di tempo di deceraggio del solvente.
1. Deceraggio termico
Nel processo di deceraggio termico, il pezzo grezzo viene inserito in un forno di riscaldamento per rimuovere il legante. In genere, nel forno di riscaldamento vengono introdotti aria, gas inerte o gas riducente. È necessario prestare particolare attenzione alla velocità di riscaldamento. Se il legante evapora troppo rapidamente, il pezzo potrebbe presentare difetti come distacchi, deformazioni, formazione di bolle, ecc.
Il vantaggio del deceraggio termico è il basso costo. Lo svantaggio è che richiede molto tempo, che può richiedere anche 24 ore o più.
2. Deceraggio con solvente
Per ridurre i tempi di deceraggio, è stato introdotto lo sgrassaggio con solvente. Questo metodo consiste nel immergere i pezzi verdi in solventi come esano, eptano o tricloroetilene. Il metodo permette di sciogliere la paraffina e l'acido stearico presenti nei leganti nel solvente. Dopo il deceraggio con solvente, potrebbe essere necessario uno sgrassaggio termico. Lo scopo è quello di rimuovere i leganti che non si dissolvono nel solvente, come polietilene e polipropilene.
Secondo lo "Studio dei parametri di debinding con solvente per acciaio inossidabile 316L stampato a iniezione", la temperatura e il tempo ottimali per lo sgrassaggio con solvente dell'acciaio inossidabile 316L sono 60°C e 240 minuti.
I vantaggi del deceraggio termico con solvente sono un ciclo di sgrassaggio più breve e un buon mantenimento della forma del prodotto. Gli svantaggi sono costi più elevati e solventi potenzialmente dannosi per l'ambiente.
3. Deceraggio catalitico
Il debinding catalitico utilizza gas acidi, come acido nitrico e acido ossalico, per decomporre alcuni adesivi. Il debinding catalitico offre un'eccellente ritenzione della forma del prodotto e una rapida velocità di sgrassaggio. Tuttavia, è applicabile solo ad adesivi contenenti poliacetale.
4. Deceraggio con fluido supercritico
Nel deceraggio con fluido supercritico, si utilizza CO₂ liquida come solvente per rimuovere la paraffina a temperature di circa 2-508 °C. Il processo è promettente, poiché consuma CO₂, il che è benefico per l'ambiente.
Rispetto al deceraggio con solvente e termico, offre velocità di deceraggio più elevate e minori difetti sui pezzi. Tuttavia, il processo richiede temperature e pressioni elevate, quindi è adatto solo per pezzi molto piccoli. In caso contrario, vengono utilizzate camere di grandi dimensioni e i costi possono salire alle stelle.
Sinterizzazione MIM
La sinterizzazione MIM è simile a quella convenzionale sinterizzazione della metallurgia delle polveri.
La sinterizzazione si divide principalmente nei tre passaggi seguenti:
- Il preriscaldamento
Il preriscaldamento serve a rimuovere ulteriormente i leganti e inizialmente a diffondere e fondere le particelle.
- sinterizzazione
Le parti marroni vengono sinterizzate a una temperatura inferiore al punto di fusione. Durante la sinterizzazione, le particelle metalliche si fondono, eliminando i pori. Inoltre, è necessario introdurre gas protettivi come idrogeno, azoto e argon per impedire l'ossidazione del prodotto.
- Raffreddamento
I pezzi sinterizzati vengono gradualmente raffreddati a temperatura ambiente. Lo scopo del raffreddamento è eliminare lo stress termico durante il processo di sinterizzazione. Questo può evitare la formazione di cricche nei pezzi.
Solitamente il tempo di preriscaldamento è di 45-60 minuti, il tempo di sinterizzazione è di circa un'ora e il tempo di raffreddamento è di circa 2 ore.
A differenza della metallurgia delle polveri, i pezzi stampati a iniezione presentano un tasso di ritiro maggiore durante la sinterizzazione, circa il 15-20%. Ciò può richiedere temperature di sinterizzazione più elevate e tempi di sinterizzazione più lunghi.
La tabella seguente mostra la temperatura e l'atmosfera di sinterizzazione di alcuni metalli comunemente utilizzati.
| Materiali Necessari | sinterizzazione
temperatura (℃) |
sinterizzazione
atmosfera |
| FN02 | 1180-1290 | Azoto |
| FN50 | 1180-1280 | Azoto |
|
M2 |
1180-1250 | Azoto |
| M4 | 1180-1250 | Azoto |
| T15 | 1200-1270 | Azoto |
| 17-4 PH | 1200-1360 | Idrogeno |
| 316L | 1250-1380 | Idrogeno |
| 410 | 1250-1375 | Idrogeno |
| 420 | 1200-1340 | Azoto |
| 440C | 1200-1280 | Azoto |
| 304 | 1250-1375 | Idrogeno |
| W–Cu | 1150-1400 | Idrogeno |
| Cu puro | 950-1050 | Idrogeno |
| Bronzo | 850-1000 | Idrogeno |
| Titanio | 1130-1220 | Argon/Vuoto |
| Ti-6Al-4V | 1140-1250 | Argon/Vuoto |
| Inconel 718 | 1200-1280 | Vuoto |
Processi secondari
Dopo la sinterizzazione, il Parti MIM potrebbe richiedere lavorazioni secondarie a seconda delle esigenze, come lavorazioni meccaniche, trattamento termico e finitura superficiale.
Materiali MIM
Materiali per stampaggio a iniezione di metalli includono metallo e leganti.
Leganti MIM
- Leganti a base di cera
È composto da polietilene e polipropilene come leganti scheletrici, in una quantità pari al 30% in peso. Il resto è costituito da paraffina e da una piccola quantità di lubrificante e attivatore.
- Leganti a base d'acqua
I leganti a base d'acqua sono composti principalmente da acqua e materiali polimerici. La loro tossicità è relativamente bassa, quindi sono più rispettosi dell'ambiente, ma i tempi di deceraggio e asciugatura sono lunghi.
- Leganti a base di solvente
Ha un tempo di essiccazione breve ed è facile da modellare, ma la tossicità è più elevata.
La tabella seguente mostra alcuni leganti metallici utilizzati nello stampaggio a iniezione di metalli.
| Metallo | Legante |
| Acciaio inox 316L |
l 30% cera di paraffina 10% cera di carnauba, l 10% cera d'api, l 45% polipropilene l Acido stearico all'5%. |
| Acciaio inossidabile 17-4 PH |
l 64% cera di paraffina, l 16% di paraffina microcristallina, l 15% etilene vinil acetato, l 5% polietilene ad alta densità |
|
Rame |
l 65% cera di paraffina l 30% polietilene l Acido stearico all'5%. |
| lega ferro-nichel |
l 79% cera di paraffina l 20% etilene vinil acetato l Acido stearico all'1%. |
| Lega W–Cu |
l 35% polipropilene l 60% cera di paraffina l Acido stearico all'5%. |
MIM Metallo
- Acciaio inossidabile: 17-4, 316L, 420, 440C, 310
- Tool Steel: M2, M4, T15, S7, M42
- Titanio: Ti, Ti-6AI-4V, Ti-6Al-7Nb
- Magnetico: Fe49Co2V, Fe50Ni, Fe3Si
- Nichel: Inconel 625, Inconel 718
- Tungsteno
- Rame
- Alluminio
Macchina MIM
Il processo di stampaggio a iniezione dei metalli richiede attrezzature per la miscelazione delle polveri, macchine per stampaggio a iniezione e forni di sinterizzazione.
Mixer
I miscelatori ad alto taglio più comuni includono:
- rullo di taglio
- estrusore monovite
- estrusore bivite
- cam doppia
- doppio planetario
- Miscele Z-blade
Gli estrusori bivite sono i più apprezzati per l'elevata velocità di taglio e il breve tempo di permanenza.
Macchina per lo stampaggio ad iniezione di metalli
Macchina per stampaggio a iniezione di metalli è costituito da unità di iniezione, unità di chiusura e unità idraulica.
L'unità di iniezione è responsabile dell'alimentazione del materiale di partenza nello stampo. L'unità di chiusura è responsabile della formatura e dell'espulsione del pezzo grezzo. L'unità idraulica fornisce l'energia necessaria.
Forno di sinterizzazione
Convenzionale forni di sinterizzazione per metallurgia delle polveri sono adatti anche per MIM, compresi forni continui e forni batch.
Applicazioni di stampaggio a iniezione di metallo
Poiché lo stampaggio a iniezione di metalli può produrre piccole parti dalle forme complesse ed è adatto alla produzione di massa, è ampiamente utilizzato nei settori medico, aerospaziale, elettronico, automobilistico, ecc.
Automotive
La tecnologia MIM può realizzare bilancieri per motori a configurazione cava. Questo riduce il peso del prodotto e contribuisce a ridurre il consumo di carburante.
Altri comuni sono:
- Iniettori di carburante
- turbocompressori
- Guide valvole,
- Pignoni dell'albero a camme
- Cappello di biella
Aeronautico
La tecnologia MIM offre un'elevata progettabilità, il che la rende popolare nel settore aerospaziale. Ad esempio, componenti per cinture di sicurezza, ugelli di spruzzatura, bracci di azionamento e componenti per piastre vengono realizzati con la tecnica MIM.
Industrie mediche
La tecnologia MIM consente di realizzare componenti di precisione estremamente complessi, ideali per applicazioni mediche, come attacchi ortodontici, impianti dentali, strumenti chirurgici, ecc.
Elettronica
Il processo di stampaggio a iniezione di metalli ha un ampio mercato nei prodotti elettronici. Ad esempio: supporto per fotocamera per cellulare, cerniera pieghevole per telefono, accessori per penne capacitive, vassoio per schede per smartphone.
Vantaggi e svantaggi dello stampaggio a iniezione di metallo
Vantaggi
- La tecnologia MIM consente di realizzare componenti dalle forme complesse in un unico passaggio, riducendo i cicli di produzione e i costi di lavorazione secondaria.
- I componenti realizzati con la tecnica MIM presentano una buona rugosità superficiale. La tecnica MIM può raggiungere una rugosità superficiale di 1 μm Ra. Questo è molto vantaggioso per la produzione di prodotti con elevati requisiti estetici, come accessori per telefoni cellulari, accessori per orologi e decorazioni.
- Può produrre parti in polvere metallica quasi completamente dense, con una densità compresa tra il 95% e il 99%.
- Per la produzione in serie è necessario un solo set di stampi.
Svantaggi
- Il costo di produzione della MIM è diverse volte superiore a quello del processo di metallurgia delle polveri convenzionale.
- Non è possibile produrre parti più grandi. I pezzi realizzati con la tecnica MIM hanno tipicamente le dimensioni di una pallina da ping-pong.
- Poiché lo stampaggio a iniezione di metallo può raggiungere una densità superiore al 95%, il tasso di ritiro durante la sinterizzazione è del 10%-20%. Il tasso di ritiro dei prodotti finiti è elevato e le loro dimensioni non sono facili da controllare.
Nel processo di stampaggio a iniezione di metalli, siamo ben consapevoli della significativa variazione nei tassi di ritiro dei pezzi stampati. Pertanto, mantenere un intervallo di tolleranza ristretto di ±0.3% per i pezzi è piuttosto impegnativo.
La maggior parte delle variazioni di ritiro nel processo MIM deriva dalla densità non uniforme della materia prima durante il processo di stampaggio a iniezione. Pertanto, nella produzione pratica, ci concentriamo sui seguenti parametri:
- Mantieni la pressione
- Tenere il tempo
- Temperatura della muffa
- Tasso di iniezione
- Uniformità della materia prima
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In BLUE, siamo i migliori servizi di stampaggio ad iniezione di metalli. Supportiamo pesi dei componenti da 0.2 g a 300 g, tolleranze entro ±0.3% e densità fino al 99% del valore teorico. I nostri materiali includono acciaio inossidabile, acciaio bassolegato, leghe magnetiche dolci e titanio, e sono utilizzati in settori come l'automotive, il medicale e l'elettronica.
FAQ
1. Quali sono le differenze tra stampaggio a iniezione di metalli e pressofusione?
Lo stampaggio a iniezione di metallo è ideale per la produzione di parti piccole e complesse, mentre la pressofusione è adatta per parti più grandi. differenza tra MIM e pressofusione risiede nelle materie prime.
Il MIM è il processo di formatura di un prodotto finale mediante stampaggio a iniezione di polvere metallica. La pressofusione è il processo di riempimento di uno stampo con metallo fuso per formare un prodotto finito.
2. Quali sono le differenze tra lo stampaggio a iniezione di metalli e lo stampaggio a iniezione di plastica?
Lo stampaggio a iniezione di metalli e lo stampaggio a iniezione di materie plastiche utilizzano materie prime diverse. Il processo di stampaggio a iniezione di metalli è più complesso e costoso.
3. Quanto tempo richiede lo stampaggio a iniezione di metalli?
Lo stampaggio a iniezione di metallo richiede circa 24-36 ore, inclusi i processi di rimozione del legante e di sinterizzazione. La pressofusione è il processo di riempimento di uno stampo con metallo fuso per formare un prodotto finito.