金属射出成形（MIM）は、粉末状の金属とプラスチックを使用して小型で複雑な部品を製造するために使用される金属加工プロセスです。MIMは、プラスチック射出成形の設計の柔軟性と機械加工された金属の強度と完全性を兼ね備えています。これにより、1グラムから500グラムまでの寸法の部品をコスト効率よく製造することができます。
について MIMプロセス は、優れた機械的特性、精密な公差、滑らかな表面仕上げを持つ部品を製造する。このためMIMは、自動車、医療、航空宇宙、エレクトロニクスなどの産業向けに、小型で複雑なネットシェイプの金属部品を大量に製造するのに適している。
本書は、MIMプロセスの概要、用途、利点、設計上の考慮点、装置、材料、後処理、品質管理、コスト分析について解説しています。エンジニア、製品設計者、調達担当者がMIMプロセスについて学び、評価するのに役立つ詳細な表や比較も含まれています。
MIMプロセスの概要
金属射出成形は、プラスチック射出成形技術と粉末冶金プロセスを組み合わせたものである。MIMプロセスの基本的なステップは以下の通りである：
- ミキシング： 金属微粉末をプラスチックバインダーと混合し、均質な原料を作る。
- 射出成形： 成形されたグリーン部品を形成するために、原料を加熱して金型に注入する。
- 脱バインダー： 溶剤または熱プロセスにより、成形されたグリーン部品からプラスチックバインダーを除去する。
- 焼結： 脱バインダーした部品を粉末の融点ギリギリまで加熱し、原子拡散によって部品を高密度化し、固体の金属部品を形成する。
以下の表は、MIMプロセスにおける主要な段階をまとめたものである：
| ステージ | 説明 |
|---|---|
| ミキシング | 金属微粉末とバインダーを均質な原料に混合する。 |
| 射出成形 | 原料を加熱して金型に注入し、グリーンパーツを形成する。 |
| 脱バインダー | 溶剤または熱プロセスによるバインダーの除去 |
| 焼結 | 脱脂された部品を加熱して粉末を緻密化し、金属部品を形成する。 |
MIMプロセスは、大量生産に適した一貫性のある高品質の金属部品を製造します。このプロセスは再現性が高く、他の製造技術では不可能な公差に近い複雑な形状を作ることができます。
MIM部品の用途と産業利用
MIMは、小型で複雑なネットシェイプの金属部品を厳しい公差で製造するために、多くの産業で使用されている。
次の表は、MIMによる主な応用分野と部品の例をまとめたものである：
| 産業 | アプリケーション例 |
|---|---|
| 自動車 | ギア、スプロケット、ロッカーアーム、コネクティングロッド |
| 航空宇宙 | タービンブレード、インペラ、ノズル、バルブ |
| メディカル | 矯正用ブラケット、手術器具、インプラント |
| エレクトロニクス | コネクター、マイクロギア、スクリーン、プリンターノズル |
| 銃器 | トリガー、ハンマー、セーフティ、エジェクター |
| 時計 | 歯車、ピニオン、時計の針 |
MIMは、大規模な機械加工やその他の二次加工を必要とする複雑な形状の小型精密部品の製造を可能にします。MIMは、設計の自由度、部品の統合、軽量化を実現します。
MIMの利点とメリット
MIMは、他の小型金属部品製造工程に比べていくつかの利点がある：
デザインの自由
- 他の方法では難しい、あるいは不可能な複雑な3次元形状や造形が可能です。
- ネジ山、空洞、穴などの複雑な形状をMIM設計に簡単に組み込むことができる。
- 複数のコンポーネントを加工するよりも、パーツの統合やアセンブリの削減が可能になる。
精度と公差
- 一貫した寸法精度と±0.1%までの公差は、MIMを使用して保持することができます。
- 0.5μmRaまでの良好な表面仕上げの微細なディテールが達成可能である。
材料特性
- 焼結MIM部品は通常、溶製材の密度の95～99％に達する。
- ステンレス鋼、工具鋼、チタン合金、タングステン合金のような幅広い材料を使用することができます。
- 成形金属の剛性、強度、硬度、耐摩耗性を備えた優れた機械的特性。
生産性とコスト
- MIMを使用することで、速いサイクルタイムで高い生産率を実現。
- 中・大量生産では、CNC加工よりも部品コストが低い。
- 複雑な多成分設計の場合、インベストメント鋳造よりも低コスト。
- 加工された金属部品に必要な二次加工を排除。
持続可能性
- MIMはネットシェイプに近い加工を採用しているため、材料の無駄が少ない。
- 金属加工や鋳造よりもエネルギー使用量が少ない粉末冶金プロセス。
- 形状を最適化することで軽量化を可能にし、環境フットプリントを削減する。
次の表は、MIMの主な利点をまとめ、他のプロセスと比較したものである：
| メリット | 他のプロセスとの比較 |
|---|---|
| デザインの自由度 | 機械加工や金属鋳造よりも柔軟性が高い |
| 精密 | 砂型鋳造やダイカストよりはるかに高い |
| 材料特性 | 粉末冶金とは異なる錬金へのアプローチ |
| 生産性 | CNC加工よりも大量生産が可能 |
| 費用対効果 | 中量以上の場合、CNC機械加工やインベストメント鋳造よりも低コスト |
| 持続可能性 | CNCマシニングのような減法的加工よりも無駄が少ない |
MIMは、プラスチック射出成形の幾何学的自由度と、完全に緻密な金属に近い材料特性を兼ね備えています。これにより、製品設計者は、アセンブリを統合し、コンポーネントを最適化し、複雑で高価値の金属部品を競争力のあるコストで製造することができます。
MIM部品の設計上の考慮点
MIMプロセスの利点を最大限に引き出すためには、適切な部品設計が不可欠です。重要な設計上の考慮点は以下の通りです：
肉厚 – 0.8mmから5mmの間の適度な肉厚を推奨。過度に厚い部分や薄い部分は欠陥の原因となります。
公差 - 寸法の±0.1%の精密公差が可能だが、焼結収縮を許容する。
表面仕上げ - 金型表面、形状、成形後の作業によっては、1μm Ra以下の微細な表面仕上げが可能です。
幾何学 – 欠陥を防ぐためには、過度に繊細な形状を避け、構造的な完全性を維持することが重要。1～2°以上の最小ドラフト角が望ましい。
特徴 - 直径0.5mmまでの穴、ねじ、複雑な内部形状をMIM設計に組み込むことができます。
部品サイズ - 0.5グラムから500グラムまでの小さな部品はMIM加工に最適です。より大きな部品はCNC加工が必要になる場合があります。
組み立て - 複雑なコンポーネントやアセンブリを単一のMIM部品に組み合わせることで、部品の統合を設計します。
適切なMIMコンポーネント設計は、製造性を最適化し、欠陥を最小限に抑え、MIMプロセスの主な利点を活用します。設計段階でMIMベンダーに相談することを強くお勧めします。
MIM装置と工具
MIMプロセスの原料準備、成形、脱バインダー、焼結の各工程では、専用の装置が使用される：
混合と原料準備
- ミキサー – 高強度ミキサーによる原料の均質化
- 粉砕機 – バスケットミルまたはローラーミルによる微粉砕
- 温度調節器 – 供給原料の温度調節用
- 気泡除去用真空装置
射出成形
- 射出成形機 – MIM 原料に対応するために改造された成形機
- 金型 – 通常、焼結に耐えるように熱処理された工具鋼/ステンレス鋼製
- 金型温度コントロール – 成形中の金型温度調節用
脱バインダー
- 溶剤脱バインダーチャンバー – 結合剤の溶剤抽出用
- 蒸気脱バインダー オートクレーブ – 蒸気脱バインダープロセス用
- 熱脱バインダー炉 – 熱プロセスによるバインダー除去用
焼結
- 焼結炉 – 真空、水素、または窒素ベースの炉
- 雰囲気制御システム – 炉内雰囲気の調整用
- 温度プロファイリング制御 – 最適化された焼結サイクルの実行用
MIM装置の適切なセットアップとキャリブレーションは、欠陥のない高品質の部品を作るために不可欠です。射出成形の段階では、高温金型のような最も特殊な設備が必要です。
MIM材料
さまざまな金属、合金、セラミックをMIM技術で加工することができる。一般的なMIM材料には以下のようなものがある：
金属
- ステンレス鋼（316L、17-4PH、410）
- 工具鋼（H13、P20、D2）
- 低合金鋼 (4140)
- 磁性合金
- 銅合金
- チタン合金
- タングステン重合金
セラミックス
- アルミナ
- ジルコニア
- 窒化ケイ素
- 炭化物
材料の選択は、焼結温度、コスト、機械的・物理的特性、二次加工の必要性などの要因によって決まる。ステンレス鋼316Lは、その優れた焼結性により、最も一般的なMIM材料である。
下表は、一般的なMIM材料とその代表的な用途を示している：
| 素材 | 用途 |
|---|---|
| ステンレス 316L | 手術器具、ポンプ、バルブ |
| 工具鋼 H13 | 射出成形、押出成形、金型 |
| チタン Ti-6Al-4V | 航空宇宙、医療用インプラント |
| タングステン重合金 | 放射線遮蔽、振動減衰 |
| 銅合金 | 電気接点、熱管理 |
| セラミックス | 切削工具、摩耗部品、弾道 |
MIMは、小型で複雑な部品設計において、チタンや工具鋼合金のような高性能材料の使用を可能にする。医療、航空宇宙、自動車、産業用途の設計の可能性を広げます。
後処理オペレーション
MIM焼結後、最終部品を得るために二次加工工程が必要になることが多い：
- アニーリング 応力除去熱処理
- 硬化 – オーステンパのような熱硬化プロセス
- 機械加工 精密内径などのCNC加工機能
- 参加 – サブコンポーネントのレーザー溶接、はんだ付け、またはエポキシ接着
- 仕上げ メッキ、塗装、不動態化、またはその他の表面仕上げ
以下の表は、一般的なMIM後のプロセスとその目的の概要である：
| ポストプロセス | 目的 |
|---|---|
| アニーリング | 応力緩和、延性 |
| 硬化 | 硬度、強度の向上 |
| 機械加工 | 重要な寸法と適合性 |
| 参加 | 多部品製品の組み立て |
| 仕上げ | 外観、耐食性 |
後加工は、特性向上や精密加工の選択肢を広げる。これにより、要求の厳しい用途におけるMIMの適用範囲がさらに広がります。
品質管理と検査
一貫した品質と寸法管理は、MIM部品にとって非常に重要です。代表的な品質管理試験には次のようなものがあります：
- 化学分析 – 発光分光法または蛍光 X 線分光法を用いた組成の分析
- 密度測定 – アルキメデス法またはガスピクノメトリーによる焼結密度の測定
- 機械試験 – ASTM 規格による硬度、引張、および疲労特性
- 顕微鏡検査 – 微細構造、気孔率、粒度、および欠陥分析用
- 寸法分析 – 寸法および GD&T 適合のための光学または CT スキャン
- 表面分析 –粗さ、腐食、およびコーティング試験（該当する場合
次の表は、MIM加工のさまざまな段階で実施される主な品質試験の概要である：
| ステージ | 代表的な品質試験 |
|---|---|
| 原料 | 粘度、トルク、湿度 |
| 緑の部分 | 寸法、欠陥検査 |
| 脱バインダー | 減量、残留物 |
| 焼結 | 密度、化学分析 |
| 仕上げ | 寸法、顕微鏡、機械的性質 |
MIMの全工程における包括的な品質管理と検査は、用途要件を満たす欠陥のない部品を実現するために必要である。
コスト分析
MIMプロセスの経済性を決定する要因は以下の通りである：
- 工具 - 金型製作は、部品形状によっては初期コストが高い。金型に複数のキャビティを設けることで、より大量生産に対応できる。
- セットアップ - 初期の機械設定とプロセス開発に多大なコストがかかる。
- 素材 粉末冶金は部品コストの10-15%を占める。チタン合金のような高価な材料では高い。
- 労働 - 熟練工が必要だが、CNC加工よりは少ない。大量生産ではより低くなる。
- 二次加工 - 大規模な機械加工や仕上げが必要な場合、コストが大幅に増加する可能性がある。
- ボリューム – 10,000個から数百万個までの中量から大量生産に最適です。この範囲の他のプロセスよりも最適なコスト優位性を提供します。
以下の表は、MIM製造におけるコスト要因を示したものである：
| MIMコスト・コンポーネント | 詳細 |
|---|---|
| 工具 | 部品の複雑さにより5,000ドルから10万ドル以上 |
| セットアップ | プロセス開発に1万～5万ドル |
| 材料 | 部品コストの10～15％、高価な合金の場合はより高くなる |
| 労働 | CNC加工に比べ、寄与率が低い |
| 二次加工 | 作業内容により、部品1個につき2～20ドル |
| ボリューム | 10,000個以上の部品に最適。 |
MIMは、二次加工が最小限であれば、中量から大量生産において機械加工や鋳造よりもコスト面で有利です。このプロセスは、複雑な多成分設計を単一のMIM部品に統合する場合に、最高の経済的メリットを提供します。
MIMサプライヤーまたはパートナーの選択
有能なMIMサプライヤーを選択することは、高品質の部品をコスト効率よく生産するための鍵である。MIMサプライヤーを評価するためのいくつかの基準
- 経験 創業年数とMIMの専門知識。長年のプレーヤーはより信頼できる傾向がある。
- 材料 -必要な主要合金を含む多様な材料を提供。ナノパウダーが特性を向上。
- 品質 - ISO 9001やISO 13485のような強固な品質プログラムと認証。工程管理の証拠
- 金型能力 - 完全なツーリングを社内で提供することで、より良いコスト統合を実現し、問題を減らすことができる。
- 二次加工 - CNC加工や仕上げなどの補完的な工程が利用できるため、利便性が向上する。
- プロトタイピング MIMのラピッドプロトタイピング機能は、リードタイムとコストを削減します。
- 研究開発能力 - プロセス革新のための強力な研究とエンジニアリングの専門知識。
社内に幅広い能力を持つ定評あるサプライヤーを選択することで、複雑なMIMプロジェクトに対応する強固でシームレスなソリューションが得られます。また、地理的な近さも、より良いコラボレーションとコミュニケーションを可能にします。
MIMと他のプロセスとの比較
MIMとCNC加工の比較
- コスト - 中・大量生産ではMIMの方が低コスト、少量生産ではCNCの方がコスト効率が良い
- デザイン - MIMの複雑性と統合の可能性
- 材料 - 工具鋼やチタン合金を含むMIMで可能な材料範囲の拡大
- スピード - MIMによる高い生産率、CNC加工による遅いサイクルタイム
- 廃棄物 - ニアネットシェイプMIMは、CNC加工よりも材料の無駄が少ない。
MIMと金属鋳造の比較
- 決議 - MIMで可能になる高解像度と微細なディテール
- 複雑さ - MIMが可能にする幾何学的複雑性の増大
- 公差 - MIMで達成可能な、より厳しい寸法公差
- 一貫性 - MIMでより一貫した材料特性と性能
- 二次加工 - 通常、MIM部品に必要な二次加工は少ない
MIMと3Dプリンティング
- コスト – MIMは現在、中量以上の生産ではより低コストである
- 材料 MIM で使用可能な工具鋼のような高性能合金の範囲が広がった。
- 公差 – MIMでより精密な寸法公差が可能に
- 機械的性質 一般的に、3Dプリント金属よりも優れた一貫した特性
- 資格 – MIMプロセスは、3Dプリンティングとは異なり、航空宇宙および医療用途ではすでに適格である。
MIMは、中量以上で製造される小型で高精度の部品に対して、他の金属製造プロセスよりも複雑さ、一貫性、コスト面でメリットがある。
MIMの限界と課題
MIMプロセスの主な限界と欠点には、以下のようなものがある：
- 初期金型投資コストが高いため、短納期での生産が難しい
- サイズに制限があり、500グラム以上の部品には不向き
- 部品の脱バインダーと焼結が必要なため、形状が制限される。
- 0.5%以下の非常に厳しい公差を達成することへの挑戦
- 焼結が困難なエキゾチック合金には推奨されない。
- 重要なフィットと寸法を達成するために、二次加工が必要になることがある。
- 成形時の欠陥防止に必要なプロセスの専門知識
- MIM機械の資本設備コストは相当なものになる。
MIMの限界を克服するには、設計、公差要件、二次加工の必要性においてトレードオフが必要である。このプロセスは、非常に大きな形状や基本的な形状よりも、複雑で高精度の小型部品に最適です。
MIM技術の発展
能力と採用を拡大しつつある最近のMIM技術開発には、以下のようなものがある：
- ナノパウダー原料 - 焼結強度と微細構造の改善
- 迅速なツーリング 3Dプリントインサートによる金型コストとリードタイムの削減
- バインダー噴射 - 金属3Dプリンティングにおける「プリント・アンド・シンター」ファブリケーションの可能性
- チタンのMIM 費用対効果の高いチタン部品の開発
- 低圧噴射 - 金型応力を低減した大型MIM部品用
- セラミックスのMIM - アルミナ以外の技術／構造セラミックスへの拡大
- インダストリー4.0の統合 - 品質管理の自動化と最適化
MIMプロセスにおける継続的な技術革新は、限界に対処し、材料能力を拡大し、新たな産業への応用を拡大するのに役立っている。これにより、MIMは精密金属部品製造技術として効果的に競争できるようになっている。
よくある質問
ここでは、金属射出成形プロセスに関するよくある質問にお答えします：
Q: MIMにはどのような種類の金属が使用できますか？
A：ステンレス鋼、工具鋼、磁性合金、チタン合金、タングステン重合金、銅合金など、さまざまな金属や合金をMIM技術で加工できます。一般的な材料は、ステンレス鋼316Lと17-4PH、工具鋼H13、チタンTi-6Al-4Vです。
Q: MIMで製造できる部品のサイズは？
A: MIMの理想的なサイズ範囲は0.5グラムから500グラムです。これより小さい部品も大きい部品も可能ですが、経済的でない場合があります。0.5グラム以下の小型部品は、取り扱いや二次加工に問題があります。500グラムを超える大きな部品は、高い工具応力と長いサイクルタイムを必要とします。
Q: MIMではどのような寸法精度と公差が可能ですか？
A: MIMは、寸法の±0.1%までの非常に優れた寸法公差を達成することができます。しかし、中公差の部品では±0.5％が一般的です。0.005インチ（±0.127mm）以下の公差は二次加工が必要です。焼結収縮を考慮する必要がある。
Q: MIMはプラスチック射出成形と比べてどうですか？
A: MIMプロセスはプラスチック射出成形をベースにしていますが、プラスチック樹脂ではなく粉末状の金属原料を使用します。MIMでは、この射出成形プロセスに焼結工程を追加することで、複雑で高強度の金属部品を製造することができます。
Q: MIM部品にはどのような表面仕上げが可能ですか？
A: MIMは、機械加工面に匹敵する0.5ミクロンRaまでの微細な表面仕上げが可能です。バインダーシステム、金型工具仕上げ、形状、二次加工などの要因が、最終的に達成可能な表面粗さを決定します。
Q: MIMはどのような複雑な形状を製造できますか？
A: MIMでは、粉末とバインダーの混合物が液体のように金型に流れ込むため、薄肉、負の抜き勾配、アンダーカット、ブラインドキャビティ、型にはまらない形状などの複雑な形状も簡単に成形できます。
Q: MIMはプロトタイプ部品の製造に適していますか？
A: MIMは、高い金型費用とリードタイムを考えると、プロトタイプには理想的ではありません。CNC機械加工、3Dプリンティング、アルミ射出成形などの他のプロセスは、MIMツーリングにコミットする前の少量プロトタイプ部品に適しています。
