Technologie vstřikování kovových prášků MIM a problémy s jejím zaváděním v technické praxi

ÚVOD Metal Injection Molding (MIM) - technologie vstřikování kovových prášků - byla vyvinuta před cca 20 lety v USA. Jedná se o metodu, při níž se kovové prášky smísí s organickými pojivy (binders), které fungují jako jejich nosič. V důsledku toku pojiva při jeho zahřátí je možno směs vstříknout do formy. Po odstranění pojiva (debinding) se díly sintrují, přičemž získají konečnou hustotu, tvary a rozměry. Po provedení dokončovacích operací (např. kalibrace, obrábění, tepelné zpracování atd.) jsou díly použity jako finální nebo konstrukční podskupiny. Mezi jednotlivými operacemi jsou samozřejmostí kontrolní postupy. Literatura uvádí úsporu nákladů oproti obrábění až o 70 %. V průběhu dalšího vývoje vznikly různé modifikace MIM, jako např. proces Catamold firmy BASF (pojivem je polyacetát - POM) nebo proces Elutec firmy Zschimmer a Schwarz, pracující na bázi ekologického vodourozpustného pojiva. Nejčastějšími uživateli dílů vyrobených technologií MIM jsou automobilový průmysl, zbrojní průmysl, hodinářství, výroba lékařských přístrojů a zařízení, výrobci textilních strojů, elektrotechnický průmysl, uživatelé magnetických materiálů. Technologie MIM je v důsledku nákladů na formy, omezení výrobních vad, nákladů na provoz potřebných zařízení, délky výrobních časů apod. omezena s ohledem na tvar a velikost na výrobu dílů: . s největším rozměrem menším než 100 mm . s hmotností menší než 100 g . o síle stěny menší než 10 mm . s malou změnou tlouštěk stěn . bez vnitřních uzavřených dutin . bez vybrání na vnitřních plochách (zápichy, odlehčení atp.) . bez ostrých hran a rohů - zaoblení větší než 0,075 mm . u větších rozměrů s úkosem min. 2o . s nejmenším O otvoru 0,1 mm . s min. tl. stěny 0,2 mm. Rozměrová přesnost MIM dílů je jedním z hlavních kritérií při rozhodování o jejich použití: někdy se uvádí srovnání tolerance dílů MIM s ISO třídami přesnosti IT 7 až IT 12. Třebaže nejsou identické, jsou tolerance dílů MIM velmi podobné třídě IT 10 u rozměrů 3 až 35 mm. Pod rozměr 3 mm jsou tolerance lepší než je IT 10, naopak u rozměrů větších než je 35 mm je o něco horší než IT 10. VÝROBA DÍLŮ TECHNOLOGIÍ MIM Obecný postup výroby je prakticky až na odstranění pojiva a sintrování shodný s klasickou technologií vstřikování termoplastů: . zadání zakázky . konstrukce dílů a jejich schválení zákazníkem . konstrukce a výroba formy . výroba nebo nákup vstřikovaného materiálu, včetně případné úpravy . kontrola materiálu . vstřikování - získání tzv. zeleného dílu . kontrola dílu po vstřikování . odstranění pojiva - získání tzv. hnědého dílu . kontrola dílu . sintrování . kontrola dílu . dokončovací operace po sintrování . kontrola dílu . balení . expedice. Základní schema výrobního procesu MIM je na obr. EKONOMICKÉ ASPEKTY ZAVEDENÍ MIM Ekonomické hledisko je, vedle hledisek technologických, konstrukčních, funkčních, provozních, organizačních atd., měřítkem vhodnosti zavedení a rentability výrobního procesu. V případě technologie MIM mají na cenu MIM dílu vliv zejména tyto faktory: . materiál . prášek a jeho úprava . pojivo . feedstock a jeho aditivace . hmotnost dílu . velikost výrobní dávky . doba vstřikovacího cyklu . násobnost formy . velikost vstřikovacího stroje . tl. průřezu dílem a doba odstraňování pojiva . požadavky na uložení dílu při sintrování . sintrování - teplota a její průběh . procesní atmosféra . velikost - počet kusů ve vsázce . požadavky na automatizaci nebo zakázkové požadavky . dokončovací postupy, požadavky na tepelné úpravy, montáž, povrchové úpravy . kontrola, roztřiďování, balení . fixace (balení) pro následné operace nebo kontroly . procesní výtěžnost - zmetkovitost . cena zařízení - odpisy, cena za pracovní progresivitu . transportní a dodací náklady . odpis půjček, leasingové náklady, hypotéky, úroková míra . odpisy majetku (hmotného i nehmotného) . sazba za velikost dávky, rychlost výroby . licenční poplatky, autorské honoráře . obchodní poplatky - úplatky . goodwill - know-how . daně, odvody za zaměstnance . zisk. Obecně je možno říci, že rentabilita nasazení technologie MIM pro danou součástku je závislá na geometrické složitosti jejího tvaru (vysoká složitost), na počtu vyrobených součástí za rok (min. tisíce kusů až po hromadnou výrobu), na požadovaném materiálu dílu, jeho velikosti a tolerancích tvarů a rozměrů, jeho konstrukci atd. PRAKTICKÉ OVĚŘENÍ TECHNOLOGIE MIM Naše firma, Plast Form Service, s.r.o. Praha, ve své vstřikovně v Lysé nad Labem ve spolupráci s diplomantem panem Bc. Tomášem Tůmou z FS ČVUT v Praze ověřila postupy výroby technologií MIM na slabostěnném výstřiku (0,8 mm) Kostra cívky. Výroba dílu proběhla na vstřikovacím stroji Battenfeld o uzavírací síle 200 kN v klasickém provedení, s komerčně vyráběným a dodávaným materiálem - feedstock firmy IMETA Dresden metasol MIM-316L, austenitická chrómnikl- molybdenová ocel se zvýšenou korozní odolností v chemickém prostředí, český ekvivalent ČSN 17 349, resp. ČSN 17 350, informativní cena cca 40 EUR/kg. Forma - jednonásobná tvarová vložka do univerzálního rámu, původně konstruovaná pro vstřikování POM, smrštění 1,85%. Hmotnost dílu 4,5 g/ks. ZÁVĚRY Z prvního praktického ověření technologie MIM lze uvést tyto hlavní závěry: . bezproblémové zajištění vstřikovaného materiálu . získání pouze velmi kusých informací o zpracovatelských podmínkách daného materiálu . konstrukce tvarové vložky, včetně vyhazování - vhodná pro technologii MIM . vlastní vstřikování - bezproblémové, zjištěna izotropie smrštění . odstraňování pojiva - je to rozhodující krok v technologickém procesu, v odborné literatuře i v informacích výrobce feedstocku jsou pouze obecné údaje, že nejčastěji se používá rozpouštědlový způsob, rozpouštědlo - aceton. V praxi se ukázalo, že realita i přes pokusy s rozpouštědlovým způsobem i tepelným způsobem je poněkud jiná. Pro tepelný způsob nebyla k dispozici pec s inertní atmosférou - došlo k degradaci, technický aceton po relativně dlouhé časové expozici odstranil pouze určité procento pojiva, je pravděpodobné, že reálný rozpouštědlový roztok je směsí látek a je ho nutno aplikovat při zvýšené teplotě . sintrování . sintrování materiálu 316L musí probíhat při teplotě 1360 oC s ochrannou vodíkovou atmosférou, pec o požadovaných parametrech není v ČR k dispozici, náhradním experimentem jsme vzorky výstřiků s částečně vyloučeným pojivem slinovali v zábalu křemičitého písku bez ochranné atmosféry a získali zoxidované, porézní díly. Lubomír Zeman