行业与应用
从科技设备到医疗设备,微型化是各种设计的重中之重。电子产品通常是微型化工作的重点,但机械部件也需要缩小。
这是一个不小的挑战。随着空间被挤压,缩小的零件也必须保持其强度。公差变得愈加严格,复杂的几何形状也变得更难制造。与此同时,成本和上市时间需要保持在最低限度。
要生产此类零件,许多工程师可能会理所当然地想到机械加工、熔模铸造甚至粉末冶金。但由于某种未知的原因,许多大学工程系忽视了一个长期存在的工艺:即金属注射成型,也被称为 MIM。
这着实可惜,因为它非常适合制造复杂的小型部件,并且任何曾设计过注塑成型部件的人士都对其工艺了若指掌。
MIM 可以制造卓越的最终产品,其具有出色的表面光洁度、卓越的耐腐蚀性和高强度。所有这一切都通过单模工艺实现,并支持复杂的轮廓、几何形状、孔、小半径、徽标和文本。通过熔模铸造,MIM 还可以节省大量资金。
这类似于一些工匠用金属粘土(由半贵金属粉末和聚合物粘土组成)制作珠宝的方法。在混合后,工匠可以用模具将成品塑造成他们想要的任何形状。
MIM 在实践上更为复杂,但本质不变。它将金属粉末和聚合物粘合剂相混合,比例约为 60:40。在加热条件下,粉末和粘合剂变成均匀的混合物,然后等待其冷却。冷却后的混合物被研磨成颗粒,这便是成型的原料。
可用的金属包括不锈钢(17-4、316、420);低碳钢(FN02、FN0205、FN08、4620、4140、8620);软磁材料(FeSi3、FN50);以及工具钢、受控膨胀合金或高温合金。
这是最适合小型成品或零件的工艺;根据经验,它们应该比网球或壁球更小。壁厚应均匀且在 0.030 英寸至 0.250 英寸之间。正常制造公差为 0.5%,但如果需要更严格的公差,则可以将零件的某些部分稍微做大,然后再加工成合适的尺寸。
以下是 MIM 可以提供的一些竞争优势:
- 与机械加工相比:重量更轻、可使用更硬的钢材、可实现零件整合(因为可以使用更复杂的单个零件)、成本更低、步骤更少。
- 与熔模铸造相比:更薄的壁厚、更好的表面光洁度、更少的二次加工、更小的孔、以及在更短的交货时间内实现更高的产量。
- 与粉末冶金相比:更高的零件复杂性、更薄的壁厚、零件整合、密度更高、强度更高、耐腐蚀性更好。
预生产设计步骤类似于您对塑料注塑成型的预期,包括初始设计、可制造性检查、模具设计、初始打样等。
在制作出原料后,MIM 工艺本身非常简单,包括成型、两个阶段的脱脂,然后是烧结。
1. 成型:原料被加热,然后送入成型机,并安装适当设计的模具。成型过程中几乎没有浪费。多余的材料被重新研磨并变回原料。结果是极高的效率。一致且具有成本效益的高度自动化可以进一步提高效率。将零件从模具中取出,并送往下一阶段。
2. 脱脂:在此步骤中需要去除大部分聚合物粘合剂。首先,加入聚合物催化剂,然后加热去除 90% 的粘合剂,只留下足够的基质以将材料的金属部分固定在一起。
3. 烧结:最后,零件将经过多个阶段的热处理。在较低温度下,最后 10% 的聚合物粘合剂被去除。随着温度升高,金属颗粒彼此融合,形成坚固的金属结构,同时减少孔隙率。一旦零件被烧结,就可以使用任何附加程序和工艺(热处理、机械加工或所有类型的涂层等)。
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