Vir znanja in izkušenj za stroko Portorož, 10. - 12. junij 2013 BRIZGANJE KOVINSKIH PRAHOV (MIM) KOT NIŠNA TEHNOLOGIJA ZA IZDELAVO KOMPLEKSNIH IZDELKOV Dominik KOBOLD1,2, Samo GAZVODA1, Dragan KUSIĆ1, dr. Aleš HANČIČ1 1 TECOS, Razvojni center orodjarstva Slovenije 2 RC Simit, d. o. o. IZVLEČEK Zaradi svoje kompleksnosti in relativno visoke investicije v postrojenje za serijsko proizvodnjo je brizganje kovinskih prahov še vedno nišna tehnologija, ki se uporablja za izdelavo manjših izdelkov kompleksnih geometrij. Globalni trg je v 2012 presegel 0.75 mrd. EUR, od tega je evropski delež velik dobrih 260 mio. EUR. Trenutni trendi pa napovedujejo nadaljnjo več kot 10% letno rast trga. Prispevek obravnava pregled tehnologije brizganja kovinskih prahov, jo umešča v področje uveljavljenih proizvodnih tehnologij iz vidika izdelave končnih proizvodov ter izpostavlja ključne specifike tehnologije, pomembne za njeno implementacijo v proizvodni program podjetja. Obravnavano je tudi večkrat spregledano dejstvo, da je prava moč tehnologije v možnosti združitve večih funkcij v enem izdelku, kar omogoča učinkovito zmanjšanje števila sestavnih kosov ali komponent zahtevnih proizvodov. 1 UVOD Tehnologijo brizganja kovinskih materialov (angl. MIM – Metal Injection Moulding) umeščamo med tehnologije brizganja prašnatih materialov (angl. PIM – Powder Injection Moulding). Zanjo je značilno, da je material sestavljen iz kovinskih prahov in veziva, PIM pa je širši pojem in označuje vse tehnologije brizganja prašnatih materialov, kjer se namesto kovinskih prahov uporabljajo predvsem še keramični. Osnovna funkcija veziva je omogočanje oblikovanja izdelkov z brizganjem, v večini primerov se nato vezivo popolnoma odstrani in ostane samo kovinska komponenta. Obstaja veliko vrst različnih veziv, ki jih v največji meri izbiramo glede na razpoložljive možnosti odstranjevanja (angl. debinding). Sicer daje vezivo tudi mehanske lastnosti tako imenovanim zelenim kosom (angl. green parts), ki jih dobimo po fazi brizganja. Po postopku v katerem odstranimo vezivo dobimo tako imenovane rjave kose (angl. brown parts), ki jih moramo v nadaljevanju še sintrati pri povišanih temperaturah, da dobimo končni izdelek z želenimi mehanskimi lastnostmi. INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2013 MIM tehnologije še vedno spadajo med nišne, čeprav so v svetu na določenih področjih že dobro uveljavljene. Do danes so se najbolj uveljavile na področju izdelave kompleksnih izdelkov na področjih kot so informacijske tehnologije (IT), medicina, kompleksne mehanske komponente, nakit in izdelki namenjeni potrošnikom, avtomobilska in vojaška industrija, ki je še posebej pomembna panoga v Združenih državah Amerike (ZDA). Poglavitna značilnost kosov, izdelanih z MIM, je izdelava kosov kompleksnih oblik brez potreb po naknadni mehanski obdelavi, saj imamo veliko svobode pri oblikovanju. 2 TEHNOLOGIJA Proces brizganja kovin MIM je ponazorjen na sliki 1. Poleg brizganja vključuje tudi dodatne operacije, nujne za zagotovitev polno funkcionalnih izdelkov. To sta predvsem fazi odstranjevanja veziva in sintranja, ostale končne operacije so opcijske (poliranje, barvanje, mehanska in termična obdelava itd.). Izdelki se med procesom odstranjevanja veziva in sintranja volumsko skrčijo od 12% do 25%, saj se pri tem odstrani masni delež veziva, 221 BRIZGANJE KOVINSKIH PRAHOV (MIM) KOT NIŠNA TEHNOLOGIJA ZA IZDELAVO KOMPLEKSNIH IZDELKOV 1,2 1 1 1 Dominik KOBOLD , Samo GAZVODA , Dragan KUSIĆ , dr. Aleš HANČIČ 1 TECOS, Razvojni center orodjarstva Slovenije 2 RC Simit, d. o. o. pri sintranju pa so volumski skrčki povezani z zapolnjevanjem praznin med delci zaradi difuzijskih procesov, ki nastopijo pri visokih temperaturah [2–5]. Rezultat je visoka končna gostota, od 95 do 99,9 odstotka teoretične gostote, odvisna pa je od materiala, oblike in velikosti delcev, mehanizmov sintranja, kemičnih dodatkov ipd. [2, 3]. Mehanske lastnosti sintranih kosov so zelo dobre in se lahko primerjajo z izdelki, ki so bili izdelani s konvencionalnimi postopki predelave. pripravljajo povsem namenske mešanice prahov in veziva, kar je ključno za zagotavljanje kakovosti in funkcionalnosti končnih kosov. Razvoj materialov je tako pogosto ključna faza pri razvoju izdelka/aplikacije, obstaja torej relativno veliko manjših podjetij s kapacitetami za izdelavo granulatov. 2.2 Brizganje zelenega kosa MIM materiali so v bistvu močno ojačani termoplasti. V primerjavi z brizganjem klasičnih termoplastov je proces nekoliko težje obvladljiv in ima nekaj specifik, ki jih moramo upoštevati že pri zasnovi izdelkov, orodij in pri določitvi procesnih parametrov brizganja. Procesne nastavitve stroja definira material, uporabljen za vezivo. Temperaturi orodja in taline morata biti na zgornji meji vrednosti za vezivo, ker zaradi večjega koeficienta odvoda toplote zaradi večinskega deleža kovinskih prahov v mešanici talina zamrzne zelo hitro. Procesno okno ustreznih parametrov je zelo ozko. Zasnova izdelka mora biti vitka, brez elementov, ki bi po nepotrebnem povečevali kompleksnost konstrukcije orodja. Stene izdelkov naj bodo tanke z možnostjo zasnove ustreznih izmetalnih kotov. Sicer je splošno vodilo, da se z MIM tehnologijo izdelajo vse možne oblike izdelkov, ki jih je mogoče izdelati s tehnologijo brizganja polimernih materialov, s to razliko, da v vseh primerih proizvodnja ne bo ekonomična [1]. 2.3 Odstranjevanje veziva Slika 1: Shematski prikaz MIM (vir: www.remingtonpmpd.com) 2.1 Materiali V praksi se lahko za MIM uporabi katerikoli kovinski material, ki ga je možno transformirati v ustrezno obliko prahu. V svetu obstaja nekaj proizvajalcev prahu, ki pripravljajo standardne materiale, vendar se za mnogo aplikacij 222 Odstranjevanje veziva je zahteven in ponavadi tudi dolgotrajen proces, ki je odvisen od vrste veziva in postopka odstranjevanja. Veziva so zasnovana na polimernih materialih, kateri imajo posebej prilagojeno kemično sestavo oziroma polimerne verige, ki so pri določenih okoliščinah podvržene hitremu razpadu vezi [2]. Vezivo med odstranjevanjem običajno preide v plinsko agregatno stanje, zato mora biti postrojenje opremljeno s filtrirnimi in odzračevalnimi sistemi. Paziti moramo tudi, da zelenemu kosu ne odstranimo vsega veziva, saj mora preostanek v 3% do 4% masnih procentih veziva rjavemu kosu zagotavljati ustrezno trdnost [2, 3, 4]. Brez tega bi bil rjavi kos preveč krhek za nadaljnjo INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2013 BRIZGANJE KOVINSKIH PRAHOV (MIM) KOT NIŠNA TEHNOLOGIJA ZA IZDELAVO KOMPLEKSNIH IZDELKOV 1,2 1 1 1 Dominik KOBOLD , Samo GAZVODA , Dragan KUSIĆ , dr. Aleš HANČIČ 1 TECOS, Razvojni center orodjarstva Slovenije 2 RC Simit, d. o. o. manipulacijo ali pa bi se samodejno porušil po fazi odstranjevanja veziva. Obstaja več vrst veziv, ki v praksi pomenijo tudi različne postopke odstranjevanja. 2.4 Sintranje Sledi faza sintranja, ki se dogaja pri povišanih temperaturah in pri kateri se delci na stičnih mestih med seboj povezujejo preko formiranja povezovalnih vratov. Med tem procesom se pore med delci zmanjšujejo, poveča se gostota, medtem ko se izdelek v primerjavi z rjavim kosom še dodatno volumsko skrči od 1% do 6%, kar je odvisno od velikosti zrn [1, 2]. Sintranje se ponavadi dogaja v posebni inertni atmosferi, vakuumu ali pri atmosferi obogateni z določenim deležem plinov (N2, C2, H2, O2 ipd.), kar je odvisno od vrste kovinskega materiala in želenih končnih lastnosti izdelka. 2.5 Orodja za brizganje Za ceno izdelka je zelo pomembna zasnova in izdelava orodja. Pravzaprav je gravura orodja določena z obliko izdelka. Pri pravilni zasnovi izdelka je izredno pomembno skaliranje oziroma povečanje oblike izdelka s čimer kompenziramo predvidene volumske skrčke, ki se zgodijo pri procesu odstranjevanja veziva in sintranja. Velikost skaliranja običajno priporoči proizvajalec mešanice materiala. Dobrodošle pa so tudi izkušnje, saj lahko na osnovi le-teh predvidimo bolj optimalna nezvezna skaliranja v odvisnosti od osi koordinatnega sistema ali referenčnih debelin izdelka. V odvisnosti od postopka in opreme za odstranjevanje veziva in sintranja je dodaten vpliv na odstopanje vrednosti predpisanih toleranc dimenzij mer velik povprečno ± 0,3%, mejne vrednosti pa se lahko gibljejo med ± 2% in ± 0,1% [1, 5]. Dosežene splošne vrednosti toleranc znašajo ± 0,15 mm [1, 5]. V primeru predpisanih ožjih toleranc pa je potrebno imeti dodatna znanja in izkušnje s pomočjo katerih lahko ustrezno modificiramo izbrane segmente gravur orodij. Poleg naštetih specifik moramo upoštevati še, da imajo MIM materiali veliko večjo maso, drugačno viskoznost in reološke lastnosti ter večjo toplotno prevodnost kakor polimerni INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2013 materiali [2]. Zaradi tega morajo biti zasnova dolivkov neprimerno krajša in večjega najmanjšega premera kot pri procesu brizganja polimernih materialov. Tudi dolivni kanali morajo imeti dovolj velik premer, da je zapolnjevanje učinkovito. Najmanjši premer dolivka pri izdelavi majhnih izdelkov ne sme biti manjši od 1 mm. Pri zasnovi orodja moramo še paziti, da so premeri izmetačev dovolj veliki in da nalegajo na ravne površine, da s tem preprečimo poškodbe na površini relativno krhkega zelenega kosa v fazi izmetavanja. 3 IZDELKI, IZDELANI S TEHNOLOGIJO MIM Večina MIM izdelkov je majhnih in kompleksne geometrije. Za izdelavo enostavnih geometrij je tehnologija predraga, te se lahko izdelajo tudi s klasičnim enoosnim stiskanjem prahov in kasnejšim sintranjem. Nekaj praktičnih primerov prikazuje slika 3 [6], osnovne značilnosti tipičnih izdelkov pa so [1, 3]: – masa izdelkov ~10 g, na stroškovno učinkovit način pa je možno izdelovati izdelke med 0.02 g in 500 g; – dimenzije izdelkov znašajo med 25 mm in 35 mm, omejitev v velikosti prečnega preseka pa znaša 260 mm; – debeline sten so med 2 mm in 3 mm, omejitev pri doseganju najmanjših širin je 0.1 mm; – število definiranih dimenzij, s katerim je določena oblika, je okrog 70. Slika 2: Primer nekaj tipičnih MIM izdelkov [6] 223 BRIZGANJE KOVINSKIH PRAHOV (MIM) KOT NIŠNA TEHNOLOGIJA ZA IZDELAVO KOMPLEKSNIH IZDELKOV 1,2 1 1 1 Dominik KOBOLD , Samo GAZVODA , Dragan KUSIĆ , dr. Aleš HANČIČ 1 TECOS, Razvojni center orodjarstva Slovenije 2 RC Simit, d. o. o. Pri zasnovi izdelkov se je potrebno posluževati dobro preučenih manjših oblikovnih sprememb izdelkov, kot to prikazuje slika 3, s pomočjo katerih lahko učinkovito izboljšamo proizvodni proces in prispevamo k zmanjšanju mase in prihranku na materialu. Najpomembnejši napotki zasnove izdelkov : – debeline prerezov naj se spreminjajo; – debeline sten naj bodo večje od 0.1 mm in manjše od 10 mm; – vseskozi strmeti k zmanjševanju mase; – ena ploskev izdelka naj bo ravna in dovolj velika, da bo nudila ustrezno podporo pri sintranju. slabo primerno najbolje slabo najbolje primerno Slika 3: Shematični prikaz prilagajanja zasnove izdelkov za izdelavo z MIM tehnologijo [1] Izdelki so sicer lahko nesimetrični in različnih fizičnih oblik, saj lahko vsebujejo posebne elemente kot so rebra, utori ali zatiči za lažjo vgradnjo ipd. Dovoljene so luknje, navoji, razne oblike zobniških ozobij, izbokline in napisi, ki izdelave gravur orodja bistveno ne podražijo ter nimajo bistvenega vpliva na proces brizganja. Pri zasnovi izdelkov pa se moramo izogibati ostrih robov in kotov, dolgih ploskev brez izmetalnih naklonov, lukenj pod 0.1 mm ter dodatnih utorov in ugreznin na notranjih površinah skoznjih lukenj. 224 4 BRIZGANJE TESTNE PLOŠČICE V pilotni fazi študije brizganja MIM materialov smo uporabili material Catamold 316L proizvajalca BASF [7]. Catamold 316L je mešanica nerjavnega jekla AISI 316L, ki ima Fe osnovi dodanega še 0,03% C, 16–18% Cr, 1014% Mn, 2% Mn, 2–3% Mo in 1% masnega deleža Si [6]. Vezivo je poliacetal oziroma polioksimetilen (POM). POM je delno kristaliničen termoplast, za katerega so značilne dobre lastnosti brizganja, velika merska natančnost in dobre mehanske lastnosti. Priporočljiva temperatura taline pri brizganju je med 165°C in 200°C [7]. Brizgali smo namensko ploščico, ki je sicer bila zasnovana za določanje optimalnih procesnih parametrov brizganja ter skrčkov polimernih materialov. Za brizganje smo uporabili namensko MIM brizgalno enoto priključeno na stroj Arburg Allrounder 170S. Splošno velja, da se za brizganje MIM materialov uporabljajo enaki stroji kot za brizganje polimernih materialov s to razliko, da morajo biti brizgalne enote oziroma polži posebej prilagojene večjemu abrazivnemu efektu MIM materialov. Polži so zato kaljeni na večje trdote (60–65 HRC) in prevlečeni s posebnimi trdimi površinskimi prevlekami, običajno pa imajo prilagojeno tudi geometrijo. Vse najpomembnejše mere ploščice z dolivkom so prikazane na sliki 4. Slika 4: Mere ploščice za določitev parametrov MIM brizganja INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2013 BRIZGANJE KOVINSKIH PRAHOV (MIM) KOT NIŠNA TEHNOLOGIJA ZA IZDELAVO KOMPLEKSNIH IZDELKOV 1,2 1 1 1 Dominik KOBOLD , Samo GAZVODA , Dragan KUSIĆ , dr. Aleš HANČIČ 1 TECOS, Razvojni center orodjarstva Slovenije 2 RC Simit, d. o. o. Preglednica 1: Uporabljene vrednosti procesnih parametrov pri brizganju testnih ploščic Poizkus V1 V2 V3 V4 V5 Torodja [C] 120 120 120 140 130 neučinkovito polnjenje Ttaline [C] 190 200 200 200 200 vbrizganja [mm/s] 60 80 140 140 140 določanje preklopne točke V1 Pbrizgalni [bar] 3000 3000 2800 2800 2700 Pnaknadni [bar] 0 0 0 500 500 določanje preklopne točke V2 V3 tbrizgalni [s] 0,5 0,4 0,17 0,17 0,17 prelivanje tnaknadni [s] 0 0 0 1,2 1,2 tcikel [s] 42 42 42 45 45 zapolnjen komad V4 V5 Slika 5: Ugotavljanje optimalnih procesnih parametrov pri zapolnjevanju testne ploščice V pilotni fazi študije MIM brizganja smo uporabili orodje, zasnovano za brizganje klasičnih termoplastov, kar je pomenilo nekaj težav pri predelavi: dolivni stožec je odločno predolg (težave z zamrznitvijo), premer dolivnega stožca je premajhen. Začetne nastavitve procesnih parametrov smo uskladili s priporočili za brizganje POM materiala in jih v fazi študije polnjenja postopno prilagajali v skladu s priporočili za MIM brizganje mešanice Catamold 316L [7]. Parametri brizganja pri študiji polnjenja so za različne brizge testnih ploščic, ki jih prikazuje slika 5, podani v preglednici 1. Primeri V1, V2 in V3 so bili izdelani brez naknadnega tlaka za namen določitve preklopne točke. Pri zapolnjevanju gravure za primer V1 in V2 je prišlo do nastanka prostega curka (angl. jetting) pri polnjenju gravure orodja, ki je posledica neoptimalnega frontalnega toka taline pri zapolnjevanju gravure orodja. Ta pojav običajno nastane, ko talina teče v gravuro orodja in se zaradi prevelike hitrosti ali neoptimalne zasnove ustja dolivka ne razlije oz. zapolni kot je potrebno. Možna rešitev odprave tega problema je sprememba hitrosti taline, sprememba temperature taline ali povečanje ustja dolivka, tako da talina najprej zadane steno gravurne votline. Pri varianti V3 smo povečali hitrost brizganja na 140 mm/s, kar je omogočalo ustrezno polnjenje in določitev preklopne točke. Preklopna točka pomeni moment, ko je gravurna votlina brez delovanja naknadnega tlaka INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2013 zapolnjena vsaj 90%. V trenutku 90% zapolnjenosti gravurne votline s talino smo v naslednjih brizgih definirali tudi delovanje naknadnega tlaka. V primeru V4 je prišlo do prelivanja zaradi previsoke temperature orodja. V primeru V5 pa so bili procesni parametri ustrezni (optimalni), kar je omogočilo izdelavo ustrezno zapolnjenih zelenih kosov ploščic. 5 STROŠKOVNI VIDIK Izdelki, izdelani s tehnologijo MIM, niso poceni. Cene komercialnih MIM granulatov se gibljejo od 30 do 60 €/kg, hkrati je oprema za odstranjevanje veziva in sintranja z zagotavljanjem vseh predpisanih varnostnih in okoljskih normativov zelo draga – investicije v serijsko opremo so tudi 0,5 MIO € in več. Nadalje termična obdelava zahteva tudi metalurško znanje in izkušnje, kar terja širšo ekipo razvojnikov. Za v članku obravnavan kos so ocenjeni stroški podani v preglednici 2. Preglednica 2: Razčlenitev ocenjenih stroškov serijske izdelave v članku obravnavane ploščice Postavka Material Brizganje Naknadna termična obdelava SKUPAJ Cena na kos 0,63 € 0,19 € 4,50 € 5,32 € Delež v sk. ceni 11,8 % 3,6 % 84,6 % Podatki za kalkulacijo: količina 100.000 kos/leto, serije po 500 kos, cena brizgalnega stroja z delavcem ~14 €/uro, katalitično odstranjevanje veziva, sintranje v peči proizvajalca Elnik 225 BRIZGANJE KOVINSKIH PRAHOV (MIM) KOT NIŠNA TEHNOLOGIJA ZA IZDELAVO KOMPLEKSNIH IZDELKOV 1,2 1 1 1 Dominik KOBOLD , Samo GAZVODA , Dragan KUSIĆ , dr. Aleš HANČIČ 1 TECOS, Razvojni center orodjarstva Slovenije 2 RC Simit, d. o. o. Iz preglednice 2 je razvidno, da je poglaviten strošek naknadna termična obdelava, pa tudi materialni strošek ni zanemarljiv, če obravnavamo samo brizganje. Za ilustracijo izdelek enakih dimenzij iz materiala POM, ki je v obravnavanem primeru uporabljen za vezivo, bi bil vsekakor pod 0,5 €. 6 PREGLED TRGA Trg se je v zadnjem desetletju hitro širil in se pomembno uveljavil v različnih segmentih izdelave izdelkov. Svetovno gledano so najpomembnejše celine Evropa, Azija in Severna Amerika. V Evropi je za MIM tehnologije najpomembnejši trg povezan z avtomobilsko industrijo, kjer se izdela 43% vseh izdelkov, sledi izdelava nakita in raznih drugih potrošniških izdelkov, kot so ohišja dražjih ur, očala, kozmetični pripomočki ipd. Veliki niši pa za Evropski trg predstavljata izdelava mehanskih komponent, kjer je trenutni delež 14%, in medicina, kjer je trenutni delež vseh izdelkov doseže 13%. Trg izdelkov zabavne elektronike in IT je najbolj uveljavljen v Aziji in ga bo težko izpodriniti. V primerjavi s Severno Ameriko pa vidimo, da trg medicinskih izdelkov dosega delež 35%, temu sledi izdelava mehanskih komponent v 24% in izdelava ostalih izdelkov v 19% deležu, pri čemer izstopajo predvsem izdelki za vojaško industrijo. Slika 6: Razdelitev trga izdelave izdelkov s PIM tehnologijami [4] 226 7 ZAKLJUČEK MIM je zaradi svoje specifike tehnologija za izdelavo izdelkov z višjo dodano vrednostjo. Omogoča nam veliko svobode pri obliki in izbiri materiala, na drugi strani pa imajo izdelki odlične mehanske lastnosti, ki jih lahko s termično obdelavo še izboljšamo, lahko pa se tudi mehansko obdelujejo. Tehnologija ima velike potenciale, a je zaradi visokih procesnih stroškov primerna za izdelke kompleksne geometrije, ki združujejo več funkcij in zahtevajo odlične mehanske lastnosti. Ključno je, da konstrukterji izdelkov in naprav to tehnologijo prepoznajo kot alternativo konvencionalnim postopkom in jo imajo v mislih pri snovanju komponent, saj lahko z MIM izdelki pogosto nadomestimo več sestavnih delov nekega sklopa. V končni fazi pomeni to pomeni enostavnejši in posledično zanesljivejši končni izdelek. Operacijo delno financira Evropska unija, in sicer iz Evropskega sklada za regionalni razvoj. Operacija se izvaja v okviru Operativnega program krepitve regionalnih razvojnih potencialov za obdobje 2007-2013, točneje v okviru javnega razpisa Razvojni centri slovenskega gospodarstva. Viri: [1] http://www.pim-international.com, (stanje 4.4.2013). [2] Berginc, B.: Brizganje kovinskega in nekovinskega prahu, Fakulteta za strojnistvo, diplomska naloga univerzitetnega studija, Ljubljana, 2003. [3] German, R.M.: Powder Injection Molding – Design and Applications, Innovative Material Solutions, State College, Pennsylvania, 2003. [4] Brasel G. M., Sago J. A.: Designed form MIM: An Enabling Technology, Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials – Part 4, str. 125-141, Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, 2004. [5] Smarslok B. P., German R. M.: Identification of Design Parameters in Metal Powder Injection Molding, Journal of Advanced Materials 37(2005)4, str. 3-11. [6] http://www.phillipsplastics.com/case-studies/metalinjection-molding-mim [7] BASF AG: Catamold Feedstock for Metal Injection Molding: Processing – Properties – Applications, Technical Information Catamold, Ludwigshafen, 2003. INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2013
© Copyright 2024