Genel Bakış MIM Katmanlı Üretim
Metal enjeksiyon kalıplama (MIM), plastik enjeksiyon kalıplama ve toz metalürjisini birleştiren bir eklemeli üretim sürecidir. MIM, karmaşık metal parçaların yüksek hassasiyet ve tekrarlanabilirlikle net şekle göre seri olarak üretilmesini sağlar.
MIM, diğer metal 3D baskı süreçlerine göre önemli avantajlara sahiptir:
- Yüksek hacimli üretim – Her partide binlerce parça üretilebilir. Bu da MIM'i son kullanım üretim uygulamaları için uygun hale getirir.
- Parça başına düşük maliyet – Kalıplama yöntemi ölçek ekonomisi sağlar. Daha yüksek hacimlerle parça maliyeti önemli ölçüde azalır.
- Geniş metal yelpazesi – Paslanmaz çelik, takım çeliği, titanyum alaşımları ve diğer metaller kullanılabilir.
- Mükemmel mekanik özellikler – Tam yoğunluğa yakın ve homojen kompozisyon elde edilir.
- Karmaşık geometriler – Karmaşık şekiller, iç özellikler ve ince duvarlar mümkündür.
- Çoklu işlem sonrası seçenekleri – İşleme, aşındırma, kaplama ve diğer yüzeyler uygulanabilir.
- Yerleşik süreç – MIM 1970'lerden beri kullanılmaktadır. Standartlar ve malzeme veri tabanları mevcuttur.
MIM, daha düşük maliyetlerle yüksek hacimlerde ihtiyaç duyulan küçük, karmaşık metal parçalar için idealdir. Prototip 3D baskı ile yüksek hacimli üretim arasındaki boşluğu doldurur.
MIM Sürecine Genel Bakış
Metal enjeksiyon kalıplama işleminin dört ana adımı vardır:
- Hammadde hazırlama – Metal tozu, homojen bir hammadde oluşturmak için bir bağlayıcı malzeme ile karıştırılır. Bu karışım enjeksiyon kalıpçıda kullanılmak üzere peletlenir.
- Enjeksiyon kalıplama – Hammadde eritilir ve istenen “yeşil” şekli oluşturmak için bir kalıp aletine enjekte edilir. Standart enjeksiyon kalıplama ekipmanı kullanılır.
- Debinding – Bağlayıcı malzeme, kimyasal, termal veya katalitik yollarla kalıplanmış bileşenden çıkarılır. Bu da geriye “kahverengi” bir parça bırakır.
- Sinterleme – Metal tozunu yoğun bir son kullanım parçasına kaynaştırmak için debound parçalar sinterlenir. Parçalar sinterleme sırasında küçülür.
İşleme, birleştirme, kaplama ve aşındırma gibi ikincil işlemler bileşenleri daha da geliştirebilir. Temel MIM süreç akışı aşağıda gösterilmiştir:
Tablo 1: MIM Katmanlı Üretim Sürecine Genel Bakış
| Adım | Açıklama |
|---|---|
| Hammadde Hazırlama | Metal tozu ve bağlayıcının peletlenmiş bir hammaddeye karıştırılması |
| Enjeksiyon Kalıplama | Hammaddenin istenen yeşil şekle getirilmesi |
| Debinding | Kahverengi bir parça bırakmak için bağlayıcıyı çıkarma |
| Sinterleme | Metal tozunun ısı yoluyla nihai parçaya kaynaştırılması |
MIM Parça Uygulamaları
MIM, orta ila yüksek hacimlerde küçük, karmaşık, net şekilli metal bileşenlerin üretimi için uygundur. Tipik MIM uygulamaları şunları içerir:
Tablo 2: MIM Katmanlı Üretim Uygulamaları
| Endüstri | Örnek Bileşenler |
|---|---|
| Otomotiv | Yakıt enjektörü nozulları, düz dişliler, turboşarj parçaları |
| Havacılık ve Uzay | Türbin kanatları, pervaneler, başlatıcılar |
| Tıbbi | Ortodontik braketler, neşter sapları, forsepsler |
| Tüketici | Saat bileşenleri, ızgaralar, dekoratif parçalar |
| Endüstriyel | Bıçak ağızları, kilitleme mekanizmaları, valfler |
| Ateşli Silahlar | Tetikler, çekiçler, emniyetler, kızaklar |
MIM, birçok sektörde parçaların birleştirilmesini, ağırlığın azaltılmasını, daha iyi performans ve daha düşük üretim maliyetleri sağlar. Geometrik özgürlük ve üretkenlik karışımı, MIM'i son kullanım üretimi için uygun hale getirir.
CNC işleme ile karşılaştırıldığında, MIM daha karmaşık şekillerin seri olarak üretilmesine olanak tanır. Parça entegrasyonu yoluyla montaj adımlarının en aza indirilmesi MIM ile mümkün hale gelir.
MIM Katmanlı İmalatın Avantajları
MIM, onu popüler bir üretim seçeneği haline getiren benzersiz avantajlara sahiptir:
Tablo 3: MIM Katmanlı İmalatın Avantajları
| Fayda | Açıklama |
|---|---|
| Yüksek Hacimli Üretim | MIM ile yılda milyonlarca parça üretilebilir |
| Parça Başına Düşük Maliyet | Daha yüksek üretim hacimleri ile maliyette azalma |
| Tasarım Esnekliği | Karmaşık geometriler ve mikro özellikler mümkündür |
| Malzeme Yelpazesi | Paslanmaz çelik, takım çeliği ve titanyum gibi çoğu alaşım tozları kullanılabilir |
| İyi Mekanik Özellikler | Tam yoğunluğa yakın ve homojen kompozisyon |
| Çeşitli Yüzeyler | İşleme, aşındırma, kaplama ve diğer yüzey işlemleri uygulanabilir |
| Oluşturulan Süreç | Standartlar, veri tabanları, yılların deneyimi mevcut |
Tasarım özgürlüğü, malzeme yetenekleri ve maliyet etkinliğinin birleşimi, MIM'e metal 3D baskı, hassas döküm veya işleme gibi diğer süreçlere göre avantajlar sağlar.
Parçalar daha ince duvarlar, alt kesimler, içi boş iç kısımlar ve diğer karmaşık unsurlarla tasarlanabilir. Birden fazla bileşenin tek bir MIM parçasında birleştirilmesi de mümkündür.
MIM Katmanlı Üretimin Sınırlamaları
MIM birçok faydaya sahip olmakla birlikte bazı kısıtlamalara da sahiptir:
Tablo 4: MIM Katmanlı Üretimin Sınırlamaları
| Sınırlama | Açıklama |
|---|---|
| Parça Boyutu | Tipik olarak 70 inç küpe kadar daha küçük bileşenlerle sınırlıdır |
| Düşük Süneklikli Malzemeler | Alüminyum gibi bazı sünek alaşımlar kolaylıkla MIM’leştirilemez |
| Ön Maliyetler | Kalıplar için önemli ölçüde takım yatırımı gerekir |
| Düşük Karışımlı Üretim | Aynı parçanın orta ila yüksek hacimleri için en uygun olanı |
| İşlem Sonrası | Ek işleme veya son işlem gerekebilir |
MIM, kalıplama içerdiği için geometri sınırlarına sahiptir. Termoset plastikler daha büyük MIM parçalarına izin verir ancak daha düşük mukavemete sahiptir.
Tüm metal alaşımları MIM hammaddelerine kolayca formüle edilemez. Özellikle sünek malzemeler zorluk çıkarır.
Her yeni parça tasarımı için sert takım çeliği kalıpları imal edilmelidir. Bu da zaman ve maliyet artışı demektir.
Sık tasarım değişiklikleri, sabit kalıp araçları nedeniyle MIM için daha az uygundur. Diğer 3D baskı yöntemleri daha kolay yinelemeye izin verir.
Nihai boyut ve yüzey gereksinimlerine bağlı olarak, kalıplama sonrası işlemler gerekebilir.
MIM Tasarımında Dikkat Edilmesi Gerekenler
MIM geometrik özgürlüklere izin verir, ancak parçalar süreç sınırlamaları göz önünde bulundurularak tasarlanmalıdır:
Tablo 5: MIM Tasarımında Dikkat Edilecek Hususlar
| Parametre | Kılavuz |
|---|---|
| Duvar Kalınlığı | Minimum 0,3 mm, maksimum 5 mm. Tek tip kalınlık idealdir |
| Toleranslar | ±%0,5 tipiktir ancak geometriye bağlıdır |
| Yüzey İşlemi | As-sinterlenmiş Ra 10-15 mikron civarındadır |
| Taslak Açıları | >Kalıptan çıkarmaya yardımcı olmak için 1° çekim açıları gereklidir |
| Şekil Karmaşıklığı | Parçaların birleştirilmesi veya topolojinin optimize edilmesi uygulanabilir |
| Özellikler | 0,1 mm delikler ve yuvalar gibi ince ayrıntılar mümkündür |
| Dokular | Karmaşık kalıp içi dokular dahil edilebilir |
| Uçlar | Diğer ek parçaların kalıba dahil edilmesi mümkündür |
| Ağırlık Azaltma | Boşluk açma, kafesler ve topoloji optimizasyonu yoluyla kütlenin azaltılması |
Kalıplama süreci belirli tasarım kurallarını dayatır. Ancak MIM yine de diğer yöntemlerle elde edilemeyen geometriler üretebilir.
MIM Malzeme Seçenekleri
MIM için çok talep gören çelikler ve titanyum da dahil olmak üzere çok çeşitli alaşımlar mevcuttur:
Tablo 6: MIM Malzeme Seçenekleri
| Malzeme | Uygulamalar |
|---|---|
| Paslanmaz Çelik | Medikal, denizcilik, tüketici ürünleri |
| Takım Çeliği | Kesici takımlar, kalıplar, aşınma parçaları |
| Düşük Alaşımlı Çelik | Otomotiv, makine parçaları |
| Titanyum Alaşımları | Havacılık ve uzay, tıbbi implantlar |
| Nikel Alaşımları | Havacılık ve uzay türbinleri, denizcilik donanımı |
| Tungsten Ağır Alaşımlar | Radyasyon kalkanı, titreşim sönümleme |
17-4PH ve 304L gibi yüksek mukavemetli, korozyona dayanıklı paslanmaz çelikler yaygın olarak kullanılır. Çökeltme sertleştirme kaliteleri daha fazla mukavemet artışı sağlar.
H13 gibi takım çelikleri, iyi sertlik, tokluk ve termal kararlılık gerektiren şekillendirme, damgalama ve enjeksiyon kalıpları için idealdir.
Biyo-uyumluluk için titanyum alaşımları, ısı direnci için nikel alaşımları ve yoğunluk için tungsten alaşımları kolaylıkla MIM’leştirilebilir.
MIM bakır ve alüminyum alaşımları gibi yeni malzemeler de geliştirilme aşamasındadır.
MIM Tasarım Yazılım Seçenekleri
MIM tasarım gereksinimlerine yardımcı olmak için CAD ve topoloji optimizasyon yazılımı seçenekleri mevcuttur:
Tablo 7: MIM Tasarım Yazılımı Seçenekleri
| Yazılım | Açıklama |
|---|---|
| SolidWorks | Moldflow analiz eklentileri ile popüler CAD |
| Autodesk Moldflow | Özel enjeksiyon kalıbı simülasyonu |
| nTopoloji | AM yazılımı için topoloji optimizasyonu ve tasarımı |
| Materialise 3-matic | Kafesler ve hafif yapılar tasarlamak için araç |
| Netfab | MIM için 3D ağları optimize eden yazılım |
Solidworks CAD tasarımı için yaygın olarak kullanılır. Kalıp akışı simülasyonu üretilebilirliği kontrol edebilir.
Moldflow gibi uzmanlaşmış programlar, gelişmiş analiz ve süreç modelleme yetenekleri ekler.
NTopology gibi topoloji optimizasyon yazılımı, AM ve MIM için özel olarak tasarlanmış organik şekillere olanak tanır. Hafifletme ve konsolidasyon sağlanır.
3-matic gibi yazılımlar değişken yoğunluklu kafeslerin tasarlanmasına ve destek yapılarının oluşturulmasına yardımcı olur.
MIM Süreç Parametreleri
MIM, hammaddelerin, kalıplamanın, bağlama ve sinterlemenin optimize edilmesini içerir. Tipik parametreler şunlardır:
Tablo 8: MIM Süreç Parametreleri
| Adım | Tipik Aralık |
|---|---|
| Toz Boyutu | 5 – 25 mikron |
| Binder | 30 – hammadde hacminin 'si |
| Katı Madde Yükleme | 55 – hammaddede |
| Kalıp Sıcaklığı | 150 – 185°C |
| Enjeksiyon Basıncı | 60 – 110 MPa |
| Kalıplama Soğutma Hızı | 20 – 50°C/s su verme |
| Bağ Çözme Yöntemi | Solvent, termal, katalitik |
| Bağ Çözme Süresi | Günlerden saatlere |
| Sinterleme Sıcaklığı | 50 – Erime noktasının 'i |
| Sinterleme Süresi | Saatlerden günlere |
| Küçülme | 13 – doğrusal küçülme |
Parametreler malzemeye, parça geometrisine, üretim hızına ve ihtiyaç duyulan özelliklere bağlıdır.
İnce tozlar ve yüksek katı yükleri çözünürlüğe yardımcı olur. Daha hızlı soğutma ve kalıp sıcaklıkları daha iyi yeşil mukavemet yaratır. Daha düşük debinding süreleri ve daha yüksek sinterleme sıcaklıkları üretim oranlarını artırır.
MIM Son İşlem Seçenekleri
Sinterlenmiş MIM parçaları ek işlem gerektirebilir:
Tablo 9: MIM İşlem Sonrası Seçenekleri
| Süreç | Amaç |
|---|---|
| Isıl İşlem | Gelişmiş özellikler için mikro yapıyı değiştirin |
| Kaplama | Altın veya krom gibi dekoratif kaplamalar uygulayın |
| Pasivasyon | Çelikler üzerinde koruyucu oksit tabakası oluşturma |
| Kaynak | MIM parçalarını birbirleriyle veya diğer bileşenlerle birleştirme |
| Lazer Markalama | Logolar, metinler veya kimlik kodları için kalıcı işaretler |
| Talaşlı İmalat ve Delme | Daha yüksek hassasiyetli boyutlar veya özel özellikler |
| Vibrasyonlu Son İşlem | Yüzeyi pürüzsüzleştirin ve keskin kenarları yuvarlayın |
Kalıplama sonrası adımlar görünümü, özellikleri ve diğer bileşenlerle olan arayüzleri iyileştirebilir. Kaplama, eloksal ve boyama popüler son işlemlerdir.
Bazı montajlar için MIM parçalarının kaynak, lehimleme veya yapıştırma yoluyla bağlanması gerekebilir. Ek işleme hassas eşleşme yüzeyleri oluşturabilir.
MIM Ekipman Tedarikçileri
Yerleşik enjeksiyon kalıplama şirketleri MIM ekipmanı ve hizmetleri sunmaktadır:
Tablo 10: MIM Ekipman Tedarikçileri
| Şirket | Ekipman |
|---|---|
| ARBURG | Elektrikli ve hidrolik enjeksiyon kalıplama makineleri |
| Milacron | Komple entegre MIM hatları |
| Toshiba | Hibrit ve elektrikli kalıplama makineleri |
| Netstal | Yüksek hassasiyetli enjeksiyon kalıplama |
| Nissei | Dikey ve yatay enjeksiyon kalıplama makineleri |
| Sodick | Yüksek hızlı, yüksek frekanslı kalıplama |
Uzmanlaşmış MIM hizmetleri de şuradan temin edilebilir:
- PIM Uluslararası
- MPP
- MIMITAL
- CN Yenilikler
Bu tam hizmet sağlayıcılar hammadde formülasyonu, analizi, kalıplama, kalıptan çıkarma ve sinterleme hizmetleri sunmaktadır.
MIM Katmanlı Üretim için Maliyet Değerlendirmeleri
MIM nispeten yüksek başlangıç maliyetlerine sahiptir, ancak üretim hacimlerinde parça başına maliyetler düşüktür:
Tablo 11: MIM Maliyet Değerlendirmeleri
| Maliyet Faktörü | Tipik Aralık |
|---|---|
| Kalıp Aleti | 10.000 $ – Karmaşıklığa, malzemeye ve boyuta bağlı olarak 100.000 $+ |
| Küçük Parti Kurulumu | 10.000 doların altında |
| Artan Parça Maliyeti | parça başına 0,5 – 5 $ metal maliyeti |
| Üretim Oranı | 5.000 – Takım başına yılda 500.000 parça |
| Bitirme | 0,1 – İşleme bağlı olarak parça başına 2 $ |
| Parti Büyüklüğü Başabaş | 1.000 – 10.000+ parça vs diğer süreçler |
Takım çeliğinden bir MIM kalıp takımının frezelenmesi haftalar alabilir ve büyük bileşenler için 100.000 doların üzerinde bir maliyete neden olabilir. Daha küçük ve daha az karmaşık kalıplar 10.000 doların altında olabilir.
Kalıp yapıldıktan sonra, devam eden MIM süreci maliyetleri orta ila yüksek üretim hacimleri için çok ekonomiktir. MIM, tek bir kalıp takımından yılda bir milyona kadar parça üretebilir.
MIM ve Diğer AM Süreçleri Arasında Seçim Yapma
MIM, 3D baskı ile yüksek hacimli süreçler arasında konumlandırılmıştır:
Tablo 12: MIM ve Diğer Metal AM Süreçlerinin Karşılaştırılması
| Faktör | MIM | Binder Jet 3D Baskı | DMLS | Basınçlı Döküm |
|---|---|---|---|---|
| Sermaye Maliyeti | Takım için yüksek | Orta | Yüksek | Çok Yüksek |
| Parça Başı Maliyet | En düşük 10 bin parçanın üzerinde | Düşük hacimlerde düşük | Orta | Çok yüksek hacimlerde daha düşük |
| Malzemeler | Geniş alaşım yelpazesi | Sınırlı menzil | Sınırlı menzil | Alüminyum ve çinko alaşımları |
| Çözünürlük | Orta ~0,1 – 0,3 mm | Orta ~0,3 – 0,5 mm | En yüksek ~0,05 mm | Alt ~0,5 mm |
| Üretim Hızı | Yüksek | Orta | Yavaş | Çok Yüksek |
| İşlem Sonrası | Orta | Yüksek | Orta | Düşük |
| Mekanik Özellikler | İyi | Değişken | En iyisi | İyi |
| Tasarım Kısıtlamaları | Bazı geometrik kısıtlamalar | Az sayıda kısıtlama | Bazı çıkıntı kısıtlamaları | Yüksek düzeyde kısıtlamalar |
MIM, 10.000'den fazla üretimde ihtiyaç duyulan alaşımlı malzemelerdeki karmaşık geometriler için en iyi ekonomiyi sağlar. Daha düşük maliyetli seri üretim süreçleri çok daha yüksek hacimlerde uygun hale gelir.
Sonuç
MIM, karmaşık geometrilerin bir dizi mühendislik alaşımında doğrudan seri olarak üretilmesini sağlayan cazip bir metal katkılı üretim sürecidir.
AM'nin çok yönlülüğünü geleneksel üretime yaklaşan üretkenlikle birleştirir. Bu güçlü füzyon, daha düşük parça maliyetleri, montajların birleştirilmesi, daha iyi performans ve hafif yapı sağlar.
Başlangıçta bir miktar kalıp yatırımı gerektirse de, MIM değerli ölçek ekonomileri sunar. Prototip 3D baskı ile yüksek hacimli üretim arasındaki boşluğu dolduran tamamlayıcı bir teknik olarak kendini kanıtlıyor.
Devam eden malzeme geliştirme ve yazılım entegrasyonu, MIM uygulamalarını tıp, havacılık, otomotiv, sanayi ve tüketici sektörlerinde genişletecektir.
MIM Katmanlı Üretim – SSS
S: MIM basınçlı dökümle nasıl karşılaştırılır?
C: MIM, basınçlı dökümden daha karmaşık, daha yüksek hassasiyetli geometriler üretebilir, ancak daha düşük üretim oranlarına ve hacimlerine sahiptir. Basınçlı döküm, milyonlarca ihtiyaç duyulan daha basit şekiller için daha hızlı ve daha ucuzdur.
S: MIM ile hangi boyutta parçalar yapılabilir?
C: MIM parçalarının ağırlığı tipik olarak 0,5 gram ile 70 gram arasında değişmektedir. Daha yüksek basınçları ve takım boyutlarını kaldıracak ekipmanla 250 grama kadar daha büyük bileşenler mümkündür.
S: Bir MIM kalıp aracının maliyetini ne belirler?
C: Kalıp malzemesi, karmaşıklığı, boyutu, yüzey kaplamaları ve geri dönüş süresi kalıp imalat maliyetlerini etkiler. Basit takım çeliği kalıpları 10 bin doların altında olabilirken, büyük üretim sertleştirilmiş çelik kalıpları 100 bin doları aşabilir.
S: MIM herhangi bir son işlem gerektiriyor mu?
C: Bazı uygulamalar ek ısıl işlem, işleme veya yüzey bitirme gerektirir. Ancak birçok bileşen sinterlenmiş olarak kullanılabilir. Sonradan işleme, nihai boyut ve görünüm gereksinimlerine bağlıdır.
S: Bir MIM kalıbı kaç parça üretebilir?
C: MIM üretim oranları tipik olarak takım başına yıllık 5.000 ila 500.000 parça arasında değişmektedir. Doğru bakımla, yıllar süren hizmet ömrü boyunca milyonlarca atış mümkündür.
S: Kaçınılması gereken yaygın MIM tasarım hataları nelerdir?
C: Yetersiz çekim açıları, ciddi kesimler, kalın-ince duvar geçişleri ve ince detayların bir göbeğin zıt taraflarına yerleştirilmesi kalıplama sorunlarına neden olabilir. Deneyimli tasarımcılara danışılması tavsiye edilir.
S: MIM'de birden fazla malzeme birleştirilebilir mi?
C: Evet, MIM toz karışımları veya çoklu hammaddeler kullanarak çok malzemeli parçalara olanak sağlar. Kompozit yapılar için diğer alaşımlar veya sert malzemelerle ekleme kalıplama da mümkündür.
S: MIM parçalarının yüzey kalitesi nasıldır?
C: Sinterlenmiş yüzey yaklaşık 10-15 mikron pürüzlülüktedir. Bu, birçok uygulama için uygundur. Gerekirse ilave tamburlama veya parlatma yüzeyleri daha da pürüzsüzleştirebilir.
S: MIM süreci ne kadar sürüyor?
C: Teslim süreleri tipik olarak 6-12 hafta arasında değişmektedir. Gerekirse kalıp imalatı en fazla zamanı alır. Takımlar yapıldıktan sonra, küçük bileşenler için seri üretim oldukça hızlıdır.
