概要 MIMアディティブ・マニュファクチャリング
金属射出成形（MIM）は、プラスチック射出成形と粉末冶金を組み合わせた積層造形プロセスである。MIMは、複雑な金属部品を高い精度と再現性で正味の形状に大量生産することを可能にする。
MIMには、他の金属3Dプリントプロセスにはない主な利点があります：
- 大量生産 – 各バッチで最大数千個の部品を生産できます。このため、MIMは最終用途の生産アプリケーションに適しています。
- 成形法は、規模の経済をもたらします。部品単価は数量が多いほど大幅に下がります。
- 幅広い金属 – ステンレス鋼、工具鋼、チタン合金および他の金属を使用できます。
- 優れた機械的特性 – ほぼ完全な密度と均一な組成が達成される。
- 複雑な形状– 複雑な形状、内部の特徴、薄い壁も可能です。
- 機械加工、エッチング、メッキ、その他の仕上げが可能です。
- 確立されたプロセス – MIM は 1970 年代から使用されている。規格と材料データベースが存在する。
MIMは、低コストで大量に必要とされる小型で複雑な金属部品に最適です。プロトタイプの3Dプリントと大量生産のギャップを埋めるものです。
MIMプロセスの概要
金属射出成形プロセスには、主に4つのステップがある：
- 原料の準備 – 金属粉末はバインダー材料と混合され、均質な原料になります。この混合物は、射出成形機で使用するためにペレット化されます。
- 射出成形 – 原料は溶融され、金型に射出され、目的の “グリーン”形状を形成する。標準的な射出成形装置が使用される。
- 脱バインダー – バインダー材料は、化学的、熱的、または触媒的な手段によって成形部品から抽出されます。このため、成形品には茶色い部分が残ります。
- 焼結 脱バウンドした部品は、焼結して金属粉末を融合し、緻密な最終使用部品にします。部品は焼結中に収縮する。
機械加工、接合、メッキ、エッチングなどの二次加工は、部品をさらに強化することができる。基本的なMIMプロセスの流れを以下に示す：
表1：MIM積層造形プロセスの概要
| ステップ | 説明 |
|---|---|
| 原料の準備 | 金属粉末とバインダーのペレット化原料への混合 |
| 射出成形 | 原料を希望のグリーン形状に成形する |
| 脱バインダー | バインダーを除去して茶色の部分を残す |
| 焼結 | 熱による金属粉末の最終部品への融合 |
MIM部品の用途
MIMは、小型で複雑なネットシェイプの金属部品を中～大量に製造するのに適しています。MIMの代表的な用途は以下の通り：
表2：MIM積層造形の用途
| 産業 | コンポーネント例 |
|---|---|
| 自動車 | 燃料噴射ノズル、スパーギア、ターボチャージャー部品 |
| 航空宇宙 | タービンブレード、インペラ、イニシエータ |
| メディカル | 矯正用ブラケット、メスの柄、鉗子 |
| 消費者 | 時計部品、グリル、装飾部品 |
| インダストリアル | ナイフブレード、ロック機構、バルブ |
| 銃器 | トリガー、ハンマー、セーフティ、スライド |
MIMは、多くの産業において、部品の統合、軽量化、性能の向上、製造コストの削減を可能にする。形状の自由度と生産性の組み合わせにより、MIMは最終用途の生産に適しています。
CNC加工に比べ、MIMはより複雑な形状の量産を可能にする。部品の統合による組み立て工程の最小化は、MIMによって実現可能になる。
MIM積層造形の利点
MIMにはユニークな利点があり、人気のある製造方法となっている：
表3：MIM積層造形の利点
| ベネフィット | 説明 |
|---|---|
| 大量生産 | MIMにより年間数百万個の部品を生産可能 |
| 低い部品単価 | 生産量の増加によるコスト削減 |
| デザインの柔軟性 | 複雑な形状や微細形状も可能 |
| 素材の範囲 | ステンレス鋼、工具鋼、チタンなど、ほとんどの合金粉末を使用可能 |
| 良好な機械的特性 | ほぼ完全な密度と均一な組成 |
| 多彩な仕上げ | 機械加工、エッチング、メッキ、その他の仕上げが可能。 |
| 確立されたプロセス | 規格、データベース、経験年数あり |
設計の自由度、材料能力、費用対効果の組み合わせにより、MIMは金属3Dプリンティング、インベストメント鋳造、機械加工などの他のプロセスよりも優れている。
部品は、より薄い壁、アンダーカット、中空内部、その他の複雑な要素で設計することができます。複数の部品を1つのMIM部品に統合することも可能です。
MIM積層造形の限界
多くの利点がある一方で、MIMにはいくつかの制約もある：
表4：MIM積層造形の限界
| 制限 | 説明 |
|---|---|
| 部品サイズ | 通常、70立方インチ以下の小型部品に限られる |
| 低延性材料 | アルミニウムのような一部の延性合金は、MIM’することが容易ではありません。 |
| 初期費用 | 金型に多額の投資が必要 |
| ローミックス生産 | 同一部品の中量から大量生産に最適 |
| ポスト処理 | 追加の機械加工や仕上げが必要な場合がある |
MIMは成形を伴うため、形状に限界がある。熱硬化性プラスチックは、より大きなMIM部品を作ることができますが、強度は低くなります。
すべての金属合金がMIM原料に容易に配合できるわけではない。特に延性材料には課題がある。
硬質工具鋼の金型は、新しい部品設計のたびに製作しなければならない。これには時間とコストがかかる。
金型ツールが固定されているため、頻繁な設計変更はMIMには適さない。他の3Dプリンティング法では、より簡単な反復が可能である。
最終的な寸法や表面の要求によっては、後加工が必要になることもある。
MIM設計に関する考察
MIMは形状の自由を可能にするが、部品はプロセスの制約を念頭に置いて設計されなければならない：
表5：MIM設計の考慮点
| パラメータ | ガイドライン |
|---|---|
| 壁厚 | 最小0.3mm、最大5mm。均一な厚みが理想 |
| 公差 | ±0.5%が一般的だが、形状によって異なる |
| 表面仕上げ | As焼結体はRa10-15ミクロン程度 |
| ドラフト角度 | gt;脱型を助けるために必要な1°の抜き勾配 |
| 形状の複雑さ | 部品の統合やトポロジーの最適化が可能 |
| 特徴 | 0.1mmの穴やスロットのような細かいディテールも可能 |
| テクスチャー | 複雑なインモールド・テクスチャーを組み込むことができる |
| インサート | 金型に他のインサートを組み込むことが可能 |
| 軽量化 | 中空化、格子とトポロジーの最適化による質量の低減 |
成型工程は一定の設計ルールを課す。しかし、MIMは他の方法では達成できない形状を作り出すことができる。
MIM材料オプション
需要の高い鋼やチタンを含む幅広い合金がMIMに利用できる：
表6：MIM材料オプション
| 素材 | 用途 |
|---|---|
| ステンレス鋼 | 医療、海洋、消費者製品 |
| 工具鋼 | 切削工具、金型、摩耗部品 |
| 低合金鋼 | 自動車、機械部品 |
| チタン合金 | 航空宇宙、医療用インプラント |
| ニッケル合金 | 航空宇宙用タービン、船舶用ハードウェア |
| タングステン重合金 | 放射線遮蔽、振動減衰 |
17-4PHや304Lなどの高強度耐食性ステンレス鋼が一般的に使用される。析出硬化グレードは、さらなる強度向上を可能にします。
H13のような工具鋼は、良好な硬度、靭性、熱安定性を必要とする成形、スタンピング、射出成形金型に最適です。
生体適合性のためのチタン合金、耐熱性のためのニッケル合金、密度のためのタングステン合金は容易にMIM’可能である。
MIM銅やアルミ合金のような新素材も開発中だ。
MIM設計ソフトウェアのオプション
MIMの設計要件を支援するために、CADとトポロジー最適化ソフトウェアのオプションが存在する：
表7：MIM設計ソフトウェアのオプション
| ソフトウェア | 説明 |
|---|---|
| ソリッドワークス | モールドフロー解析プラグインで人気のCAD |
| オートデスク モールドフロー | 射出成形金型専用シミュレーション |
| nトポロジー | AMソフトウェアのトポロジー最適化と設計 |
| マテリアライズ 3マチック | 格子や軽量構造を設計するツール |
| ネットファブ | MIM用3Dメッシュ最適化ソフトウェア |
CAD設計にはSolidworksが一般的です。モールドフローシミュレーションにより、製造性を確認することができます。
Moldflowのような専門プログラムは、高度な解析とプロセスモデリング機能を追加します。
nTopologyのようなトポロジー最適化ソフトウェアにより、AMやMIMに合わせた有機的な形状が可能になる。軽量化と統合が可能になります。
3-maticのようなソフトウェアは、可変密度の格子を設計し、支持構造を生成するのに役立つ。
MIMプロセス・パラメーター
MIMには、原料、成形、脱バインダー、焼結の最適化が含まれる。代表的なパラメータは以下の通りである：
表8：MIMプロセス・パラメーター
| ステップ | 典型的な範囲 |
|---|---|
| パウダーサイズ | 5 – 25 ミクロン |
| バインダー | 30 – 原料量の50 |
| 固形物の積載 | 55 – 70% が原料 |
| 金型温度 | 150 – 185°C |
| 射出圧力 | 60 – 110 MPa |
| 成形冷却速度 | 20 – 50°C/s クエンチ |
| 脱バインダー法 | 溶剤、熱、触媒 |
| 脱バインダー時間 | 日～時間 |
| 焼結温度 | 50 – 融点の 80 |
| 焼結時間 | 数時間から数日 |
| 収縮 | 13 – 17% リニアシュリンク |
パラメータは、材料、部品の形状、生産速度、必要な特性によって異なります。
微細なパウダーと高い固形分含量が解像度を助けます。より速い冷却と金型温度は、より優れたグリーン強度を生み出す。脱バインダー時間が短く、焼結温度が高いため、生産率が向上します。
MIMの後処理オプション
焼結MIM部品は追加加工を必要とする場合があるため：
表9：MIMの後処理オプション
| プロセス | 目的 |
|---|---|
| 熱処理 | 特性を向上させるために微細構造を変える |
| メッキ | ゴールドやクロムなどの装飾コーティングを施す |
| 不動態化 | 鋼材に保護酸化膜を形成する |
| 溶接 | MIM部品同士または他の部品との接合 |
| レーザーマーキング | ロゴ、テキスト、IDコード用の永久マーク |
| 機械加工と穴あけ | より高精度な寸法またはカスタム機能 |
| 振動仕上げ | 表面を滑らかにし、鋭いエッジを丸くする |
成形後の工程は、外観、特性、他の部品とのインターフェイスを洗練させることができる。メッキ、陽極酸化、塗装は一般的な仕上げです。
アセンブリによっては、溶接、ろう付け、接着によるMIM部品の接続が必要になる場合があります。追加の機械加工により、精密な合わせ面を作ることができます。
MIM装置サプライヤー
確立された射出成形会社は、MIM設備とサービスを提供している：
表10：MIM装置サプライヤー
| 会社概要 | 設備 |
|---|---|
| ARBURG | 電気式および油圧式射出成形機 |
| ミラクロン | 完全統合MIMライン |
| 東芝 | ハイブリッドおよび電動成形機 |
| ネッツスタール | 高精度射出成形 |
| ニッセイ | 縦型および横型射出成形機 |
| ソディック | 高速・高周波成形 |
専門的なMIMサービスも提供している：
- PIMインターナショナル
- MPP
- ミミタル
- CNイノベーションズ
これらのフルサービスプロバイダーは、原料配合、分析、金型製作、成形、脱バインダー、焼結を提供する。
MIM積層造形のコストに関する考察
MIMは立ち上げコストが比較的高いが、生産量に応じた部品単価は低い：
表11：MIMコストに関する考察
| コスト係数 | 典型的な範囲 |
|---|---|
| 金型工具 | 10,000ドル – 複雑さ、素材、サイズにより100,000ドル以上 |
| スモール・バッチ・セットアップ | 万ドル以下 |
| 部品コスト増 | 0.5ドル – 1個あたり5ドルの金属コスト |
| 生産率 | 5,000 – 工具あたり年間 500,000 部品 |
| 仕上げ | $0.1 – プロセスにより部品あたり $2 |
| バッチサイズ 損益分岐点 | 1,000–10,000個以上の部品と他のプロセスとの比較 |
工具鋼からMIM金型ツールをフライス加工する場合、大きな部品では数週間かかり、10万ドル以上かかることもある。それほど複雑でない小型の金型なら10,000ドル以下で済む。
一旦金型が作られれば、継続的なMIM工程のコストは、中規模から大規模の生産量では非常に経済的である。MIMは1つの金型ツールから年間最大100万個の部品を生産できる。
MIMと他のAMプロセスの選択
MIMは3Dプリンティングと大量生産プロセスの中間に位置する：
表12：MIMと他の金属AMプロセスの比較
| ファクター | ミム | バインダージェット3Dプリンティング | DMLS | ダイカスト |
|---|---|---|---|---|
| 資本コスト | 工具用として高い | ミディアム | 高い | 非常に高い |
| 部品単価 | 10,000ドル以上では最低 | 小音量では低い | ミディアム | 非常に高いボリュームでより低い |
| 材料 | 幅広い合金 | 範囲限定 | 範囲限定 | アルミニウムおよび亜鉛合金 |
| 決議 | ミディアム ~0.1 – 0.3mm | ミディアム ~0.3 – 0.5mm | 最高 ~0.05mm | 下 ～0.5mm |
| 生産スピード | 高い | ミディアム | 遅い | 非常に高い |
| ポスト処理 | ミディアム | 高い | ミディアム | 低い |
| 機械的特性 | グッド | 可変 | ベスト | グッド |
| 設計上の制約 | いくつかの幾何学的制約 | 制約が少ない | いくつかのオーバーハング制約 | 高いレベルの制約 |
MIMは、1万個以上の生産に必要な合金材料の複雑な形状に最高の経済性を提供します。より低コストの大量生産プロセスは、はるかに大量生産で有利になります。
結論
MIMは、さまざまなエンジニアリング合金で複雑な形状を直接大量生産できる、魅力的な金属積層造形プロセスである。
AMの多用途性と従来の製造に迫る生産性を兼ね備えている。この強力な融合は、部品コストの削減、アセンブリの統合、性能の向上、軽量化につながります。
初期の金型投資が必要な一方で、MIMは貴重なスケールメリットをもたらします。プロトタイプの3Dプリンティングと大量生産のギャップを埋める補完的な技術としての地位を確立しつつある。
継続的な材料開発とソフトウェアの統合により、医療、航空宇宙、自動車、産業、消費者分野でのMIM用途が拡大する。
MIM Additive Manufacturing – FAQ
Q：MIMはダイカストと比較してどうですか？
A: MIMはダイカストよりも複雑で高精度の形状を製造できますが、生産速度と生産量は低くなります。数百万個単位で必要とされる単純な形状であれば、ダイカストの方がより速く、より安価です。
Q: MIMではどのようなサイズの部品を作ることができますか？
A: MIM部品の重量は通常0.5グラムから70グラムです。より高い圧力と工具サイズに対応する設備があれば、250グラムまでの大きな部品も可能です。
Q: MIM金型ツールのコストは何で決まりますか？
A: 金型の材質、複雑さ、サイズ、表面仕上げ、納期が金型製作コストに影響します。単純な工具鋼の金型は1万ドル以下ですが、大規模な生産用硬化鋼の金型は10万ドルを超えることがあります。
Q：MIMは後処理が必要ですか？
A: 用途によっては、追加の熱処理、機械加工、表面仕上げが必要です。しかし、多くの部品は焼結のまま使用できます。後加工は、最終的な寸法や外観の要件によります。
Q: MIM金型は何個の部品を生産できますか？
A: MIMの生産量は、通常、工具1台あたり年間5,000～500,000個です。適切なメンテナンスを行えば、数年の耐用年数で数百万ショットが可能です。
Q: 避けるべきMIM設計の一般的なエラーは何ですか？
A: ドラフト角の不足、激しいアンカット、厚肉から薄肉への移行、コアの反対側に細かいディテールを配置することは、すべて成形の問題を引き起こす可能性があります。経験豊富な設計者に相談されることをお勧めします。
Q: MIMで複数の材料を組み合わせることはできますか？
A: はい、MIMは粉末混合物や複数の原料を使用することで、マルチマテリアル部品を可能にします。他の合金や硬い材料とのインサート成形も複合構造では可能です。
Q: MIM部品の表面仕上げはどうなっていますか？
A: 焼結後の仕上がりは10-15ミクロン程度の粗さです。これは多くの用途に適しています。必要であれば、タンブリングや研磨を追加することで、表面をさらに平滑にすることができます。
Q:MIMプロセスにはどれくらいの時間がかかりますか？
A: リードタイムは通常6～12週間です。金型製作が必要な場合は最も時間がかかります。一旦金型が出来上がれば、小さな部品であればバッチ生産は非常に速いです。
