A metalurgia do pó (MP) é uma ótima maneira de produzir peças pequenas e complexas. No entanto, a MP tem dificuldade em produzir peças em miniatura com características refinadas, como paredes finas.
O processo de moldagem por injeção de metal (MIM) é uma tecnologia promissora capaz de produzir peças complexas com diâmetros tão pequenos quanto 2 mm.
Conteúdo
O que é moldagem por injeção de metal?
O processo de moldagem por injeção de metal combina metalurgia do pó convencional com moldagem por injeção de plástico.
Pó metálico fino e ligantes são misturados para criar a matéria-prima. A matéria-prima é então moldada por uma máquina de moldagem por injeção, seguida pela desintegração e sinterização para produzir o produto final.
Etapas do processo de moldagem por injeção de metal
Comparados aos materiais plásticos, os pós metálicos MIM são mais corrosivos. Portanto, os moldes MIM são feitos principalmente de aço para ferramentas e possuem revestimentos resistentes ao desgaste nas superfícies. Normalmente, o processo de moldagem por injeção de metal inclui as seguintes etapas:
Misturando
O objetivo do processo de mistura é obter um revestimento uniforme de ligante na superfície das partículas metálicas.
Primeiro, o pó metálico é colocado no misturador para pré-aquecer. Em seguida, o ligante é adicionado e misturado ao pó metálico. A proporção de pó metálico para ligante é de aproximadamente 6:4.
Depois de bem misturados, obtém-se o material de injeção, a matéria-prima. A matéria-prima é extrudada como macarrão. Em seguida, o granulador os tritura em pedaços do tamanho de grãos de arroz antes de inseri-los na máquina de injeção de metal.
Caso seja necessária mais mistura, será necessário um misturador de alto cisalhamento.
As funções dos ligantes no MIM são as seguintes:
- Melhorar a fluidez do pó metálico
- Dê à matéria-prima uma certa aderência
- Ajuda a formar partes verdes
- Ajuda na desmoldagem
Moldagem por Injeção
- Primeiro, o molde fecha e o parafuso começa a se mover para frente para injetar a matéria-prima.
- A matéria-prima é aquecida a cerca de 200°C e preenche toda a cavidade do molde.
- Após a conclusão da injeção, você deve aplicar pressão de retenção para compensar a contração da matéria-prima.
- O portão está congelado, o material derretido no tubo não pode entrar na cavidade do molde e o material derretido na cavidade do molde continua esfriando.
- Em seguida o molde se abre e a peça é ejetada através da expulsão do pino.
Durante a moldagem por injeção, há vários fatores aos quais você deve prestar atenção.
- Velocidade de injeção
Uma velocidade de injeção muito lenta pode causar defeitos superficiais. Uma velocidade de injeção muito alta, que impeça a saída de ar da cavidade pelas aberturas do molde, pode causar vazios.
- Ponto de transição e método
O ponto de comutação é o ponto de inflexão da injeção para a pressão de retenção. Os quatro métodos de comutação comumente utilizados são posição, hidráulico, tempo e pressão de cavidade.
- Mantendo a pressão na moldagem por injeção
Durante a moldagem por injeção, devido à baixa temperatura dentro do molde, a matéria-prima encolhe um pouco ao esfriar no molde. Portanto, durante a etapa de resfriamento, é necessário continuar aplicando pressão e injetar uma pequena quantidade de matéria-prima para compensar a contração. Isso é chamado de pressão de retenção.
De acordo com 3 ERP, a pressão de retenção é cerca de 50-65% da pressão de injeção.
- Tempo de resfriamento
O resfriamento serve para permitir que a peça se solidifique completamente. Se o componente esfriar muito pouco, a peça pode ser danificada durante o processo de ejeção.
Desvinculação
A desintegração removerá a maioria dos ligantes da parte verde. Isso evita defeitos no produto ou afeta suas propriedades mecânicas durante o processo de sinterização subsequente. Após a desintegração, você obtém uma parte porosa, quebradiça e de baixa densidade. Essa parte é chamada de "parte marrom".
O tempo de desvinculação está relacionado aos seguintes fatores:
- Método de desvinculação
- Tamanho da peça
- Tamanho de partícula de pó
Por exemplo, a mesma peça moldada a partir de pó de cobre aerossolizado de 20 μm, pó de ferro carbonílico de 10 μm e pó de óxido de alumínio de 1 μm
Eles exigem 3 horas, 6 horas e 22 horas de tempo de remoção do solvente, respectivamente.
1. Desaglutinação Térmica
No processo de desvinculação térmica, a peça verde é colocada em um forno de aquecimento para remover o ligante. Normalmente, ar, gás inerte ou gás redutor são introduzidos no forno de aquecimento. Preste atenção especial à velocidade de aquecimento. Se o ligante evaporar muito rápido, a peça pode apresentar defeitos como descamação, deformação, bolhas, etc.
A vantagem da remoção térmica de ligantes é o baixo custo. A desvantagem é que ela leva muito tempo, podendo levar 24 horas ou mais.
2. Desvinculação de solvente
Para reduzir o tempo de remoção da ligante, surgiu o desengorduramento por solvente. Este método consiste em colocar as peças verdes em solventes como hexano, heptano ou tricloroetileno. O método consiste em dissolver a parafina e o ácido esteárico presentes nos ligantes no solvente. Após a remoção da ligante por solvente, pode ser necessário o desengorduramento térmico. O objetivo é remover ligantes que não se dissolvem no solvente, como polietileno e polipropileno.
De acordo com o “Estudo dos parâmetros de desengorduramento por solvente para aço inoxidável 316L moldado por injeção de metal”, a temperatura e o tempo ideais para desengorduramento por solvente do aço inoxidável 316L são 60℃ e 240 minutos.
As vantagens da remoção térmica por solvente são o ciclo de desengorduramento mais curto e a boa retenção da forma do produto. As desvantagens são o custo mais alto e os solventes podem ser prejudiciais ao meio ambiente.
3. Desvinculação catalítica
A desintegração catalítica utiliza gases ácidos, como ácido nítrico e ácido oxálico, para decompor alguns adesivos. A desintegração catalítica proporciona excelente retenção da forma do produto e rápida taxa de desengorduramento. No entanto, é aplicável apenas a adesivos que contêm poliacetal.
4. Desvinculação de Fluido Supercrítico
Na remoção de ligantes de fluidos supercríticos, utiliza-se CO2 líquido como solvente para remover a parafina a temperaturas de cerca de 508–708°C. O processo é promissor, pois consome CO2, o que é benéfico para o meio ambiente.
Comparado à remoção de ligantes por solvente e térmica, apresenta taxas de remoção mais rápidas e menos defeitos nas peças. No entanto, o processo requer altas temperaturas e pressões, sendo adequado apenas para peças muito pequenas. Caso contrário, são utilizadas câmaras grandes, e os custos podem disparar.
Sinterização MIM
A sinterização MIM é semelhante à sinterização convencional sinterização por metalurgia do pó.
A sinterização é dividida principalmente nas três etapas a seguir:
- Pré-aquecimento
O pré-aquecimento serve para remover ainda mais os ligantes e, inicialmente, difundir e fundir as partículas.
- sinterização
As peças marrons são sinterizadas a uma temperatura abaixo do ponto de fusão. Durante a sinterização, as partículas metálicas se fundem, eliminando os poros. Além disso, é necessário introduzir gases protetores, como hidrogênio, nitrogênio e argônio, para evitar a oxidação do produto.
- Resfriamento
As peças sinterizadas são resfriadas gradualmente até a temperatura ambiente. O objetivo do resfriamento é eliminar o estresse térmico durante o processo de sinterização. Isso pode evitar trincas nas peças.
Normalmente, o tempo de pré-aquecimento é de 45 a 60 minutos, o tempo de sinterização é de cerca de uma hora e o tempo de resfriamento é de cerca de 2 horas.
Ao contrário da metalurgia do pó, as peças de moldagem por injeção de metal apresentam uma taxa de contração maior durante a sinterização, cerca de 15% a 20%. Isso pode exigir temperaturas de sinterização mais altas e um tempo de sinterização mais longo.
A tabela a seguir mostra a temperatura de sinterização e a atmosfera de alguns metais comumente usados.
| Materiais | sinterização
temperatura (℃) |
sinterização
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 | Hidrogênio |
| 316L | 1250-1380 | Hidrogênio |
| 410 | 1250-1375 | Hidrogênio |
| 420 | 1200-1340 | azoto |
| 440C | 1200-1280 | azoto |
| 304 | 1250-1375 | Hidrogênio |
| W–Cu | 1150-1400 | Hidrogênio |
| Cu puro | 950-1050 | Hidrogênio |
| Bronze | 850-1000 | Hidrogênio |
| Titânio | 1130-1220 | Argônio/Vácuo |
| Ti-6Al-4V | 1140-1250 | Argônio/Vácuo |
| Inconel 718 | 1200-1280 | Vácuo |
Processos Secundários
Após a sinterização, o peças MIM pode precisar de processamento secundário de acordo com as necessidades, como usinagem, tratamento térmico e acabamento de superfície.
Materiais MIM
Materiais de moldagem por injeção de metal inclui metal e ligantes.
Ligantes MIM
- Aglutinantes à base de cera
É feito de polietileno e polipropileno como ligantes estruturais, e sua quantidade é de 30% em peso. O restante é parafina e uma pequena quantidade de lubrificante e ativador.
- Aglutinantes à base de água
Os ligantes à base de água são compostos principalmente de água e materiais poliméricos. Sua toxicidade é relativamente baixa, tornando-os mais ecológicos, mas o tempo de remoção e secagem é longo.
- Aglutinantes à base de solvente
Tem um tempo de secagem curto e é fácil de moldar, mas a toxicidade é maior.
A tabela a seguir mostra alguns ligantes metálicos usados na moldagem por injeção de metal.
| Metal | Encadernador |
| aço inoxidável 316L |
l 30% cera de parafina 10% cera de carnaúba, l 10% cera de abelha, l 45% de polipropileno l 5% de ácido esteárico |
| 17-4 PH de aço inoxidável |
l 64% de parafina, l 16% de parafina microcristalina, l 15% de etileno acetato de vinila, l 5% polietileno de alta densidade |
|
Cobre |
l 65% de cera de parafina l 30% polietileno l 5% de ácido esteárico |
| Liga de ferro-níquel |
l 79% de cera de parafina l 20% etileno acetato de vinila l 1% de ácido esteárico |
| Liga W–Cu |
l 35% de polipropileno l 60% de cera de parafina l 5% de ácido esteárico |
Metal MIM
- Aço inoxidável: 17-4, 316L, 420, 440C, 310
- Tool Steel: M2, M4, T15, S7, M42
- Titânio: Ti, Ti-6AI-4V, Ti-6Al-7Nb
- Magnético: Fe49Co2V, Fe50Ni, Fe3Si
- Níquel: Inconel 625, Inconel 718
- Tungstênio
- Cobre
- alumínio
Máquina MIM
O processo de moldagem por injeção de metal requer equipamentos de mistura de pó, máquinas de moldagem por injeção e fornos de sinterização.
Mixer
Os misturadores comuns de alto cisalhamento incluem:
- rolo de cisalhamento
- extrusora de parafuso único
- extrusora de dupla rosca
- Twin Cam
- duplo planetário
- Misturas de lâmina Z
A extrusora de parafuso duplo é a mais favorecida por sua alta taxa de cisalhamento e curto tempo de permanência.
Máquina de moldagem por injeção de metal
Máquina de moldagem por injeção de metal consiste em unidade de injeção, unidade de fixação e unidade hidráulica.
A unidade de injeção é responsável por alimentar o molde com a matéria-prima. A unidade de fixação é responsável por moldar e ejetar a peça bruta. A unidade hidráulica fornece energia.
forno de sinterização
Convencional fornos de sinterização para metalurgia do pó também são adequados para MIM, incluindo forno contínuo e forno de batelada.
Aplicações de moldagem por injeção de metal
Como a moldagem por injeção de metal pode produzir peças pequenas com formatos complexos e é adequada para produção em massa, ela é amplamente utilizada nas áreas médica, aeroespacial, eletrônica, automobilística, etc.
Automotiva
A MIM pode fabricar balancins de motor com configuração oca. Isso reduz o peso do produto e é benéfico para a redução do consumo de combustível.
Outros comuns incluem:
- Injetores de combustível
- Turbocompressores
- Guias de válvulas,
- Rodas dentadas da árvore de cames
- Tampa da biela
Indústria aeroespacial
O MIM possui alta capacidade de design, o que o torna popular no setor aeroespacial. Por exemplo, peças para cintos de segurança, bicos de pulverização, braços de palhetas e peças de placas são fabricados pelo MIM.
Indústrias Médicas
A MIM pode fabricar peças de precisão extremamente complexas, ideais para aplicações médicas, como braquetes ortodônticos, implantes dentários, instrumentos cirúrgicos, etc.
Eletrônicos
O processo de moldagem por injeção de metal possui um amplo mercado em produtos eletrônicos. Por exemplo: suporte para câmera de celular, dobradiça dobrável para celular, acessórios para caneta capacitiva, bandeja para cartão de smartphone.
Vantagens e desvantagens da moldagem por injeção de metal
Diferenciais
- A MIM permite a conformação de peças com formatos complexos em uma única etapa, o que reduz os ciclos de produção e o custo do processamento secundário.
- As peças MIM apresentam boa rugosidade superficial. A MIM pode atingir uma rugosidade superficial de 1 μm Ra. Isso é muito benéfico para a fabricação de produtos com altos requisitos de aparência, como acessórios para celulares, acessórios para relógios e decorações.
- Ele pode produzir peças de metal em pó quase totalmente densas, com uma densidade de 95% a 99%.
- Somente um conjunto de custos de molde é necessário para produção em massa.
Desvantagens
- O custo de produção do MIM é várias vezes maior que o do processo convencional de metalurgia do pó.
- Não é possível fabricar peças maiores. As peças MIM típicas têm aproximadamente o tamanho de uma bola de pingue-pongue.
- Como a moldagem por injeção de metal pode atingir uma densidade superior a 95%, a taxa de contração durante a sinterização é de 10% a 20%. A taxa de contração dos produtos acabados é alta e seus tamanhos não são fáceis de controlar.
No processo de moldagem por injeção de metais, estamos cientes da variação significativa nas taxas de contração das peças moldadas. Portanto, manter uma faixa de tolerância estreita de ±0.3% para as peças é bastante desafiador.
A maior parte da variação de contração no MIM decorre da densidade irregular da matéria-prima durante o processo de moldagem por injeção. Portanto, na produção prática, focamos nos seguintes parâmetros:
- Mantenha a pressão
- Tempo de espera
- Temperatura do molde
- Taxa de injeção
- Uniformidade da matéria-prima
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Na BLUE, nós superamos serviços de moldagem por injeção de metal. Suportamos pesos de peças de 0.2 g a 300 g, tolerâncias de ± 0.3% e densidades de até 99% do valor teórico. Nossos materiais incluem aço inoxidável, aço de baixa liga, ligas magnéticas macias e titânio, atendendo a setores como automotivo, médico e eletrônico.
Perguntas frequentes
1. Quais são as diferenças entre moldagem por injeção de metal e fundição sob pressão?
A moldagem por injeção de metal é ideal para a produção de peças pequenas e complexas, enquanto a fundição sob pressão é adequada para peças maiores. A maior diferença entre MIM e fundição sob pressão está nas matérias-primas.
MIM é o processo de moldagem por injeção de pó metálico para formar um produto final. Fundição sob pressão é o processo de preenchimento de um molde com metal fundido para formar um produto acabado.
2. Quais são as diferenças entre moldagem por injeção de metal e moldagem por injeção de plástico?
A moldagem por injeção de metal e a moldagem por injeção de plástico utilizam matérias-primas diferentes. O processo de moldagem por injeção de metal é mais complexo e o custo é mais alto.
3. Quanto tempo demora a moldagem por injeção de metal?
A moldagem por injeção de metal leva cerca de 24 a 36 horas, incluindo os processos de desintegração e sinterização. A fundição sob pressão é o processo de preenchimento de um molde com metal fundido para formar um produto acabado.