Metaalspuitgieten (MIM) begrijpen

Metaal spuitgieten (MIM) is een productieproces dat wordt gebruikt om kleine, complexe metalen onderdelen met nauwe toleranties te produceren. MIM combineert de veelzijdigheid van kunststofspuitgieten met de sterkte en integriteit van bewerkte metalen. Dit artikel biedt een gedetailleerd overzicht van MIM-technologie, toepassingen, apparatuur, processen, ontwerpoverwegingen en meer.

Overzicht van metaalspuitgieten

Metaalspuitgieten is een poedermetallurgisch proces dat de productie van kleine, nauwkeurige metalen componenten in grote hoeveelheden mogelijk maakt met behulp van spuitgiettechnieken.

Hoe MIM werkt

Het MIM-proces omvat het mengen van fijn metaalpoeder met een bindmiddel om een grondstof te creëren die in mallen kan worden geïnjecteerd. De gegoten delen, ook wel groene delen genoemd, worden vervolgens gesinterd om het bindmiddel te verwijderen en het metaalpoeder tot een vaste structuur te consolideren. De basisstappen zijn:

Mengen – Fijn metaalpoeder wordt gemengd met bindmiddelen om een homogene grondstof te creëren
Spuitgieten – De grondstof wordt gesmolten en in de mal geïnjecteerd om groene delen te vormen
Ontbinding – Het bindmiddel wordt verwijderd door middel van oplosmiddel-, thermische of katalytische ontbinding
Sinteren – De losgemaakte delen worden gesinterd om de metaalstructuur te verdichten en te versterken
Secundaire operaties – Extra afwerkingsstappen zoals verspanen, boren, tappen etc.

Voordelen van MIM

MIM biedt verschillende voordelen vergeleken met andere productietechnieken:

Productie in grote volumes met lage kosten per onderdeel
Complexe geometrieën met nauwe toleranties
Verscheidenheid aan materialen zoals roestvrij staal, titanium, wolfraam, kobaltchroom enz.
Minimale schrootverliezen en materiaalverspilling
Fabricage in de buurt van netvorm, waardoor bewerkingen worden verminderd
Kleine onderdelengroottes van 0,005 lbs tot 0,5 lbs
Consolidatie van onderdelen door samenstellingen te combineren
Gladde oppervlakken en goede afwerking

Beperkingen van MIM

Enkele beperkingen van het spuitgieten van metaal zijn onder meer:

Hoge opstart- en gereedschapskosten
Beperkt maatbereik voor onderdelen
Gespecialiseerde apparatuur vereist
Meerstapsproces met langzamere productie
Dimensionale beperkingen gebaseerd op poedereigenschappen
Beperkingen op onderdeelgeometrie gebaseerd op poederstroom

Toepassingen van MIM

MIM wordt veel gebruikt voor het vervaardigen van kleine, complexe onderdelen met nauwe toleranties in verschillende sectoren, zoals:

Medisch – orthopedische implantaten, tandheelkundige implantaten, chirurgische instrumenten
Automotive – motoronderdelen, kleppen, tandwielen
Lucht- en ruimtevaart – turbinebladen, waaiers, straalpijpen
Elektronica – connectoren, microversnellingen, afscherming
Vuurwapens - trekkers, hamers, beveiligingen
Horloges – horlogekasten, armbanden, kroon
Industrieel – knoppen, bevestigingsmiddelen, snijgereedschappen

MIM concurreert met andere processen zoals investeringsgieten, machinaal bewerken en stempelen voor de productie van metalen onderdelen.

Apparatuurgids voor spuitgieten van metaal

Voor elke fase van het MIM-proces is gespecialiseerde apparatuur vereist. Dit zijn de belangrijkste typen MIM-apparatuur:

Apparatuur	Functie
Poedervoeders	Doseer nauwkeurig fijne poeders
Mengers	Meng poeder en bindmiddel homogeen
Granulatoren	Vorm de grondstof tot korrels voor het vormen
Spuitgietmachines	Vorm de grondstof in de gewenste vormen
Ontbindingsovens	Verwijder het bindmiddel van vormdelen
Sinterovens	Verdicht en versterk de metalen structuur
Slijpmachines	Verwijder hekken, lopers en gladde oppervlakken
Bewerkingscentra	Boren, draaien, freeselementen tot gesinterde onderdelen

Geavanceerde automatisering, handlingsystemen en bedieningselementen worden gebruikt om het proces te integreren en de productiviteit te maximaliseren. De apparatuur moet zorgvuldig worden geselecteerd op basis van factoren als materiaal, onderdeelgrootte, productievolume en kwaliteitseisen.

metaalspuitgietproces Stap voor stap

MIM-verwerking omvat meerdere stappen om fijn metaalpoeder om te zetten in volledig compacte componenten voor eindgebruik.

Stap 1 – Mengen

Het metaalpoeder en het bindmiddel worden grondig gemengd in een mixer om een homogene grondstof te produceren
Poederdeeltjesgrootte, vorm, distributie beïnvloeden vormbaarheid en sinteren
Bindmiddelen zorgen voor vloei en hechting tijdens het spuitgieten
Wassen, thermoplastische materialen zoals PP, PE, PVC en polymeren die als bindmiddel worden gebruikt
Mengen gebeurt met behulp van Sigma Blade, Z-blade, dubbele planeetmengers

Stap 2 – Granulatie

Het grondstofmengsel wordt gegranuleerd tot kleine pellets voor spuitgieten
Verbetert de materiaalstroom en voorkomt segregatie in het vat
Granulatoren gebruiken roterende messen om de grondstof in uniforme korrels te snijden
De vorm en grootte van de korrels beïnvloeden de pakkingsdichtheid en de vormbaarheid

Stap 3 – Spuitgieten

De grondstofkorrels worden in de gewenste vorm en grootte van het onderdeel gegoten
Maakt gebruik van aangepaste spuitgietmachines met gecontroleerde temperatuur en druk
Belangrijk om de vormparameters te optimaliseren om defecten te minimaliseren
As-gegoten onderdelen, groene onderdelen genoemd, hebben vorm gegeven maar geen kracht

Stap 4 – Ontbinden

Het bindmiddel wordt via oplosmiddel, thermische of katalytische middelen uit de groene delen geëxtraheerd
Het ontbinden van oplosmiddelen maakt gebruik van capillaire werking om het bindmiddel op te lossen
Bij thermische ontbinding wordt het bindmiddel in een oven ontleed
Katalytische ontbinding versnelt de verwijdering van bindmiddel met een katalysator
Bij het ontbinden ontstaan bruine delen met een poreuze structuur van metaaldeeltjes

Stap 5 – Sinteren

Bruine delen worden gesinterd in een oven met gecontroleerde atmosfeer
Bindingen tussen metaaldeeltjes worden gevormd door diffusie en massatransport
Bijna volledige dichtheid tot 96-99% bereikt tijdens het sinteren
Sfeer, temperatuur en tijd geoptimaliseerd om defecten te voorkomen
Tijdens het vormen wordt rekening gehouden met sinterkrimp

Stap 6 – Secundaire bewerkingen

Extra metaalbewerkingsstappen zoals gloeien, machinaal bewerken, boren, plateren
Gloeien verlicht interne spanningen door sinteren
CNC-bewerking verwijdert aanspuitingen, maakt oppervlakken glad en voegt functies toe
Plating en verf aangebracht voor verbetering of bescherming tegen corrosie

Het MIM-proces maakt complexe metalen onderdelen met hoge precisie mogelijk door de voordelen van kunststofspuitgieten en poedermetallurgie te combineren.

Ontwerpoverwegingen voor MIM-onderdelen

MIM maakt geometrische vrijheden mogelijk die niet mogelijk zijn bij machinale bewerking, maar vereist bepaalde ontwerpoverwegingen:

Wanddikte – Typisch bereik van 0,3 – 4,0 mm, waarbij sommige poeders muren tot 6 mm ondersteunen
Oppervlakteafwerking – Gladdere afwerking dan gieten, maar niet zo fijn als machinaal bewerken; Een Ra-waarde van 1 – 4 μm is typisch voor MIM
Dimensionale toleranties – ±0,1% tot ±0,5% gebaseerd op onderdeelgeometrie met enige nauwkeurigheid op micronniveau mogelijk
Dikte – Volledige dichtheid tot 99% kan worden bereikt met geoptimaliseerd sinteren
Geometrie – Het vermijden van opgesloten poeders en het laten ontsnappen van bindmiddel is van cruciaal belang
Diepgang hoeken – Taps toelopende wanden met een trekhoek van 1-3° om het uitwerpen van onderdelen te vergemakkelijken
Radii en filets – Geleidelijke overgangen verdienen de voorkeur boven scherpe hoeken
Gaten en holtes – Minimale diameters van 0,25 – 0,5 mm voor doorlopende gaten
Draden – Kan worden gegoten, maar vaak machinaal bewerkt na het sinteren voor een betere nauwkeurigheid
Oppervlaktedetails – Beperk fijne details om schimmelslijtage te verminderen; post-molding-processen kunnen verbeteren

MIM-ontwerp moet zich richten op geometrie die de prestaties maximaliseert in plaats van op fabricagegemak. Het proces maakt consolidatie van uit meerdere delen bestaande assemblages tot één onderdeel mogelijk, met aanzienlijke kosten- en gewichtsbesparingen.

Materialen die worden gebruikt bij het spuitgieten van metaal

MIM kan onderdelen produceren uit een breed scala aan metalen, legeringen en keramiek in diverse industrieën.

Materiaal	Toepassingen	Eigenschappen
Roestvrij staal	Medisch, vuurwapens, marine	Corrosiebestendigheid, sterkte
Laaggelegeerd staal	Automobiel, industrieel	Magnetische respons, bewerkbaarheid
Zachte magnetische legeringen	Sensoren, actuatoren	Hoge permeabiliteit
Legeringen van harde metalen	Snijgereedschappen	Slijtvastheid, hardheid
Koperlegeringen	Elektronica, thermisch	Elektrische geleiding
Aluminium legeringen	Elektrisch, thermisch	Lichtgewicht, geleidbaarheid
Titanium legeringen	Lucht- en ruimtevaart, automobiel	Sterkte, biocompatibiliteit
Wolfraam legeringen	Stralingsafscherming	Hoge dichtheid
Cermets	Elektronica, optica	Oxidatie weerstand

Factoren zoals de functie van het onderdeel, de kosten, de nabewerkingsstappen en de compatibiliteit van de legeringen bepalen de ideale MIM-materiaalkeuze.

MIM-leveranciers en apparatuurfabrikanten

Veel bedrijven bieden wereldwijd MIM-materialen, -diensten, -productie en -apparatuur aan. Hier zijn enkele van de belangrijkste MIM-leveranciers in de waardeketen:

Bedrijf	Producten en diensten
BASF	Grondstoffen, bindmiddelen
Sandvik Visarend	Metaalpoeders
Hogenäs	Metaalpoeders
CNPC-poeder	Metaalpoeders
Indo-Mim	MIM-producten, diensten
MPP	MIM-producten, diensten
ARC-groep	MIM-producten, diensten
Atlas geperste metalen	Productie van MIM-onderdelen
Epson Atmix	MIM-apparatuur
Milacron	Spuitgietmachines
Elnik	Sinterovens
TCN	Ontbindings-, sinterovens

Er zijn ook veel kleinere regionale spelers betrokken in de MIM-toeleveringsketen. Eindgebruikers die MIM willen adopteren, kunnen samenwerken met materiaalleveranciers en contractfabrikanten, afhankelijk van de vereiste capaciteiten.

Kostenanalyse van MIM-onderdelen versus alternatieven

Hier is een vergelijking van de geschatte kosten voor het produceren van 1000 onderdelen met behulp van verschillende productieprocessen:

Proces	Kosten instellen	Machinekosten	Gereedschapskosten	Onderdeelkosten	Totaal (1000 onderdelen)
CNC-bewerking	Laag	$100,000	$2,000	$50	$52,000
Investeringscasting	Hoog	$500,000	$40,000	$20	$60,000
Metaal spuitgieten	Hoog	$750,000	$100,000	$15	$115,000
Stempelen	Hoog	$1,000,000	$150,000	$10	$160,000

CNC-bewerkingen hebben lage volumes, hoge onderdeelkosten en beperkte complexiteit
Investeringsgieten is beter voor volumes tot 10.000 eenheden
MIM heeft voordelen voor middelgrote tot hoge volumes met complexe geometrie
Stempelen heeft zeer hoge gereedschapskosten, maar de laagste onderdeelprijs bij grote volumes boven de 100.000 onderdelen

Het kruispunt waarop MIM economischer wordt dan andere processen, hangt af van volumes, complexiteit en omvang.

Een MIM-leverancier of -partner kiezen

Het selecteren van een competente MIM-leverancier of productiepartner is cruciaal voor een kosteneffectieve productie van onderdelen. Dit zijn de belangrijkste overwegingen:

Technische expertise – Eerdere ervaring met vergelijkbare MIM-onderdelen, materialen, industrie
Kwaliteitssystemen – ISO 9001-certificering, kwaliteitscontrolepraktijken
Productiecapaciteit – Mogelijkheid om te voldoen aan de huidige en toekomstige volumevereisten
Secundaire processen – Bewerking, stempelen, plateren, schilderen
Optimalisatie van onderdelen – Ontwerp voor MIM-ondersteuning om de voordelen te maximaliseren
Prototyping – Snelle prototypingdiensten om ontwerpen te valideren
Gereedschapsmogelijkheden – Bij voorkeur ontwerp en fabricage van gereedschappen in eigen huis
Toegang tot grondstoffen – Aanvoerkanalen voor grondstoffen opgezet
R&D-mogelijkheden – Voortdurend onderzoek en ontwikkeling op het gebied van geavanceerde materialen en productietechnieken
Klantgerichtheid – Responsiviteit op behoeften en samenwerkingsaanpak
Kostenstructuur – Prijsmodel en concurrentievermogen voor voorspelde volumes
Logistiek – Mogelijkheid om onderdelen betrouwbaar te leveren en tegelijkertijd te voldoen aan de doorlooptijdvereisten

Door deze factoren prioriteit te geven, kunt u de juiste strategische MIM-partner voor een bepaalde toepassing identificeren.

MIM-apparatuur installeren

Voor bedrijven die MIM-mogelijkheden intern installeren, is een goede installatie van apparatuur van cruciaal belang. Dit zijn de belangrijkste overwegingen:

Vloeroppervlak van ongeveer 2000 – 5000 vierkante meter nodig voor de MIM-lijn
Stabiele stroomvoorziening met een capaciteit van 200-600 kVA vereist
Persluchtleidingen geschikt voor een druk van 100 psi
Afzuigventilatie voor warmte, emissies en stofopvang
Nutsvoorzieningen zoals stikstof, proceswater en gasvoorziening
Temperatuur- en vochtigheidsregeling van ongeveer 20±3 °C, 50±20%
Tussenverdiepingen, platforms voor het installeren van aanvullende apparatuur
Materiaaltransportsystemen zoals takels, vorkheftrucks, bakken
Controlekamer, computersystemen voor monitoring
Opleiding van personeel op het gebied van procesveiligheid en bediening van apparatuur
Processimulaties, testruns om de installatie te valideren
Kalibratie- en preventieve onderhoudsschema's

Voldoende ruimte, voorzieningen en gecontroleerde omstandigheden zijn essentieel voor een soepele werking van MIM-apparatuur. Grondig testen en trainen bereidt u voor op echte productie.

Onderhoud van MIM-apparatuur

Consistent onderhoud verbetert de uptime en prestaties van MIM-productieapparatuur. Sleutelaspecten:

Gedocumenteerd preventief onderhoudsschema voor elke machine
Dagelijks opruimen van gemorst materiaal, lekken, stof en puin
Vloeistofniveaus controleren, lekkages, ongebruikelijke geluiden, trillingen
Bewaking van drukken, temperaturen en energieverbruik
Testen van verwarmings-, koeling- en regelsystemen
Vervanging van slijtagedelen zoals zeven, schroeven, vaten
Inspecties op vermoeidheid van componenten, schade, uitlijning
Regelmatige verbouwingen en revisies op basis van bedrijfsuren
Bijhouden van onderhoudslogboeken voor analyse
Opslag van reserveonderdelenvoorraad voor kritische componenten
Training over de juiste bediening en veiligheid van apparatuur
Tijdige service en ondersteuning van apparatuurleveranciers

Goed opgeleid personeel en samenwerking met leveranciers van apparatuur helpen de productiviteit van MIM-apparatuur te maximaliseren en de downtime tot een minimum te beperken.

Simulatiesoftware voor metaalspuitgieten

Simulatiesoftware wordt gebruikt om het MIM-proces digitaal te modelleren vóór de daadwerkelijke productie. Voordelen zijn onder meer:

Voorspelling van matrijsvulpatronen en optimalisatie van poortlocaties
Identificeren van laslijnen en luchtafsluitingen om defecten te voorkomen
Het bestuderen van thermische gradiënten en stolling in complexe geometrieën
Simuleren van ontbindings- en sinterprofieleffecten op de uiteindelijke vorm
Valideren van gereedschapsontwerpen vóór fabricage
Verlaging van de proefkosten door middel van virtuele prototyping
Trainen van personeel door middel van visuele representaties

Sommige commerciële MIM-simulatiepakketten omvatten:

MIMSIM – Geïntegreerde simulatie voor het vormen door sinteren
Sigma Zacht – 3D FEM-analyse van matrijsvulling en vervorming
Netzsch MIMPre – Modellering van de reologische eigenschappen van MIM-grondstoffen
Simufact-additief – Multifysica-simulatie van AM-processen
EOS PSW – Simulatie gericht op sinteren en warmtebehandeling

Het gebruik van MIM-software verbetert de procesconsistentie, optimaliseert de kwaliteit van de onderdelen en verlaagt de kosten voor fysieke prototypes. Een geïntegreerde simulatie-naar-productieworkflow heeft de voorkeur.

Problemen oplossen met veelvoorkomende MIM-defecten

Enkele typische defecten in MIM-onderdelen en mogelijke hoofdoorzaken zijn:

Defect	Oorzaken
Korte opnames	Lage injectiedruk, voortijdige stolling
Flash	Oververpakte mallen, schimmelschade
Kromtrekken	Niet-uniforme koeling, problemen met de binder
Scheuren	Snel sinteren, hoog bindmiddelgehalte
Porositeit	Slechte homogenisatie, opgesloten gassen
Verontreiniging	Kruisbesmetting, ovenatmosfeer
Dimensionale variaties	Problemen met de grondstoffen, schimmelslijtage, krimp
Oppervlaktedefecten	Gasporositeit, verbrossing van vloeibare metalen
Insluitsels	Verontreinigde grondstoffen, verstopte spuitmonden

Er moet een systematische methodologie voor defectanalyse worden gebruikt om procesparameters te isoleren die defecten veroorzaken en corrigerende maatregelen te nemen, zoals het aanpassen van de formulering van de grondstoffen, vormparameters, ontbindings- en sinterprofielen.

Voordelen van MIM-technologie

MIM biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere productiemethoden voor metalen onderdelen:

Complexiteit – Ingewikkelde 3D-geometrieën mogelijk, consolideert samenstellingen
Samenhang – Zeer herhaalbaar proces met lage onderdeelvariatie
Efficiëntie – Fabricage in de buurt van netvormen met minder grondstofverspilling
Automatisering – Sterk geautomatiseerd proces vermindert arbeid
Flexibiliteit – Breed scala aan materialen zoals metalen, keramiek, composieten
Kwaliteit – Goede oppervlakteafwerking en mechanische eigenschappen
Productiviteit – Hoge volumeproductie met lage kosten per onderdeel
Miniaturisatie – Microcomponenten met details tot 10 μm
Duurzaamheid – Energie-efficiëntie vergeleken met verspanen
Kosten – Lagere totale kosten voor middelgrote tot hoge productievolumes

De unieke mogelijkheden van MIM stimuleren de acceptatie in diverse sectoren, zoals de automobielsector, de lucht- en ruimtevaart, de medische sector en de elektronica.