El moldeo por inyección de metal ( MIM ) es un proceso de trabajo de metales en el que el metal finamente pulverizado se mezcla con material aglutinante para crear una "materia prima" que luego se moldea y solidifica mediante moldeo por inyección . El proceso de moldeo permite dar forma a piezas complejas de gran volumen en un solo paso. Después del moldeo, la pieza se somete a operaciones de acondicionamiento para eliminar el aglutinante (desunión) y densificar los polvos. Los productos terminados son componentes pequeños que se utilizan en muchas industrias y aplicaciones.
El comportamiento de la materia prima MIM se rige por la reología , el estudio de lodos, suspensiones y otros fluidos no newtonianos.
Debido a las limitaciones actuales del equipo, los productos deben moldearse utilizando cantidades de 100 gramos o menos por "inyección" en el molde. Esta inyección se puede distribuir en múltiples cavidades, lo que hace que MIM sea rentable para productos pequeños, intrincados y de gran volumen, que de otro modo serían costosos de producir. La materia prima MIM puede estar compuesta de una gran cantidad de metales, pero los más comunes son los aceros inoxidables, ampliamente utilizados en la pulvimetalurgia . Después del moldeo inicial, se retira el aglutinante de la materia prima y las partículas metálicas se unen por difusión y se densifican para lograr las propiedades de resistencia deseadas. La última operación suele encoger el producto en un 15% en cada dimensión.
El mercado de moldeo por inyección de metal ha crecido de 9 millones de dólares en 1986, a 382 millones de dólares en 2004 a más de 1.500 millones de dólares en 2015. Una tecnología relacionada es el moldeo por inyección de polvo cerámico, que ha generado unas ventas totales de alrededor de 2.000 millones de dólares. La mayor parte del crecimiento de los últimos años se ha producido en Asia. [1]
Proceso
En la monografía PO Gribovsky, publicada en 1956, describe en detalle la tecnología de fundición en caliente (moldeo en caliente) productos cerámicos bajo presión (ahora, Moldeo por inyección de polvo a baja presión) y, en particular, señala que "la tecnología de fundición en caliente proporciona la capacidad de fabricar productos a partir de cualquier material sólido, que van desde minerales naturales, óxidos puros, carburos, metales, etc., y terminando con materiales sintéticos compuestos multicomponentes y sus combinaciones ”. [2] Esta indicación de la posibilidad de fundición MIM, que fue implementada por el Dr. Raymond E. Wiech Jr. en la década de 1970, quien refinó la tecnología MIM como cofundador de una compañía de California llamada Parmatech , el nombre se condensó de la frase "tecnología de materiales de partículas". [3] Wiech más tarde patentó [4] este proceso, y fue ampliamente adoptado para su uso en la fabricación en la década de 1980.
MIM ganó reconocimiento a lo largo de la década de 1990, ya que las mejoras en los procesos de acondicionamiento posteriores dieron como resultado un producto final que funciona de manera similar o mejor que los elaborados a través de procesos de la competencia. La tecnología MIM mejoró la eficiencia de costos a través de un alto volumen de producción a "forma neta", eliminando costosas operaciones adicionales como el mecanizado, aunque MIM es débil en términos de especificaciones dimensionales estrictas.
Los pasos del proceso implican combinar polvos metálicos con polímeros como cera y aglutinantes de polipropileno para producir la mezcla de "materia prima" que se inyecta como líquido en un molde utilizando máquinas de moldeo por inyección de plástico. La "pieza verde" o moldeada se enfría y se expulsa del molde. A continuación, se elimina una parte del material aglutinante utilizando disolvente, hornos térmicos, proceso catalítico o una combinación de métodos. La parte resultante, frágil y porosa (40 por ciento en volumen de "aire"), se encuentra en una condición llamada etapa "marrón". Para mejorar el manejo, a menudo, el desaglomerado y la sinterización se combinan en un solo proceso. La sinterización calienta el polvo a temperaturas cercanas al punto de fusión en un horno de atmósfera protectora para densificar las partículas utilizando fuerzas capilares en un proceso llamado sinterización . Las piezas MIM a menudo se sinterizan a temperaturas casi lo suficientemente altas como para inducir la fusión parcial en un proceso denominado sinterización en fase líquida. Por ejemplo, un acero inoxidable se puede calentar de 1350 a 1400 ° C (de 2460 a 2500 ° F). Las tasas de difusión son altas, lo que conduce a una gran contracción y densificación. Si se realiza al vacío, es común alcanzar una densidad sólida de 96 a 99%. El metal del producto final tiene propiedades mecánicas y físicas comparables con las piezas recocidas fabricadas con métodos clásicos de trabajo de metales. Los tratamientos térmicos posteriores a la sinterización para MIM son los mismos que con otras rutas de fabricación, y con alta densidad, el componente MIM es compatible con los tratamientos de acondicionamiento de metales como enchapado , pasivado , recocido, carburación, nitruración y endurecimiento por precipitación.
Aplicaciones
La ventana de la ventaja económica en las piezas moldeadas por inyección de metal radica en la complejidad y el volumen de las piezas de pequeño tamaño. Los materiales MIM son comparables al metal formado por métodos de la competencia, y los productos finales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones industriales, comerciales, médicas, dentales, de armas de fuego, aeroespaciales y automotrices . Las tolerancias dimensionales de ± 0.3% son comunes y se requiere mecanizado para tolerancias más estrechas. MIM puede producir piezas donde es difícil, o incluso imposible, fabricar de manera eficiente un artículo a través de otros medios de fabricación. Idealmente, lo mejor es al menos 75 especificaciones dimensionales en un componente de solo 25 mm de tamaño máximo y 10 g de masa, como se requiere, por ejemplo, para cajas de relojes, enchufes de teléfonos celulares y bisagras de computadoras portátiles. El aumento de los costos de los métodos de fabricación tradicionales inherentes a la complejidad de la pieza, como las roscas internas / externas, la miniaturización o el marcado de identidad, generalmente no aumentan el costo en una operación MIM debido a la flexibilidad del moldeo por inyección.
Otras capacidades de diseño que se pueden implementar en la operación de MIM incluyen códigos de producto, números de pieza o sellos de fecha; piezas fabricadas a su peso neto reduciendo el desperdicio y costo de material; Densidad controlada entre 95 y 98%; Fusión de piezas y geometrías 3D complejas . [5]
La capacidad de combinar varias operaciones en un solo proceso garantiza que MIM ahorre tiempo y costos, lo que proporciona importantes beneficios a los fabricantes. El proceso de moldeo por inyección de metal podría ser una tecnología ecológica debido a la reducción significativa en el desperdicio en comparación con los métodos de fabricación "tradicionales", como el mecanizado CNC de 5 ejes. Sin embargo, algunas de las operaciones más antiguas generan emisiones tóxicas como formaldehído, eliminan solventes clorados y deben quemar cera u otros polímeros, lo que genera emisiones de gases de efecto invernadero.
Existe una amplia gama de materiales disponibles cuando se utiliza el proceso MIM. Los procesos tradicionales de trabajo de metales a menudo involucran una cantidad significativa de desperdicio de material, lo que hace que MIM sea una opción altamente eficiente para la fabricación de componentes complejos que consisten en aleaciones costosas / especiales ( cobalto-cromo , acero inoxidable 17-4 PH , aleaciones de titanio y carburos de tungsteno ). MIM es una opción viable cuando se requieren especificaciones de paredes extremadamente delgadas (es decir, 100 micrómetros). Además, los requisitos de blindaje contra interferencias electromagnéticas han presentado desafíos únicos, que se están logrando con éxito mediante la utilización de aleaciones especiales ( ASTM A753 Tipo 4). [6]
Referencias
- ^ Subramanian, Vijay. "Moldeo por inyección de cerámica y metal - AVM049C" . www.bccresearch.com . Consultado el 27 de mayo de 2015 .
- ^ Gribovsky PO (1956). Fundición en caliente de productos cerámicos . Gosenergoizdat publ. (En ruso).
- ^ Williams, B. (1989). "Parmatech da forma a metales como plásticos". Informe de polvo metálico . 44 (10): 675–680.
- ^ Wiech, Raymond E. Jr. (8 de abril de 1980) "Fabricación de piezas para material particulado", patente estadounidense 4.197.118 .
- ^ "Diseño de moldes de metal a medida para componentes mecanizados de precisión Reino Unido - CMG Technologies" . www.cmgtechnologies.co.uk .
- ^ "EMI y blindaje magnético - FloMet LLC" . www.flomet.com .