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高端医疗设备展精密部件制造工艺 | MIM金属注射成型工艺介绍

2023-02-02

在医疗器械领域,MIM工艺生产的医疗配件有很高精度,能满足大多数精密医疗器械对配件所需要的小型、高复杂度、高力学性能等要求。

近年来MIM工艺得到了越来越广泛地应用,如手术刀柄、剪刀、镊子、牙科零件、骨科关节零件等。MIM,金属注射成型,已经成为粉末冶金领域发展迅速、最有前途的一种新型近净成形技术,被誉为“国际最热门的金属零部件成形技术”之一。

高端医疗设备展Medtec China 2023本文将从介绍MIM工艺的基本概念、工艺流程、优势、与其它工艺对比、适合的零件类型以及MIM应用等基本知识。

对于工程师来说,如果我们想要做好产品结构设计,我们需要主动去学习和了解MIM工艺,也许我们会发现可以通过使用MIM工艺来实现降本。

MIM基本概念
金属注射成型,简称MIM(Metal Injection Molding),是一种将金属粉末与粘结剂混合进行注射成型的方法。
它首先将所选粉末与粘结剂进行混合,然后将混合料进行制粒再注射成形所需要的形状,经过脱脂烧结将粘结剂处理掉,从而得到我们想要的金属产品,或再经过后续的整形、表面处理、热处理、机加工等方式使产品更加完美。
MIM = 粉末冶金 + 注塑成型
MIM是典型的学科跨界产物,将两种完全不同的加工工艺(粉末冶金和塑料注塑成型)融为一体,使得工程师能够摆脱传统束缚,以塑料注塑成型的方式获得低价、异型的不锈钢、镍、铁、铜、钛和其它金属零件,从而拥有比很多其它生产工艺更大的设计自由度。
MIM的工艺过程
MIM工艺过程主要分为四个阶段,包括造粒、注射、脱脂和烧结,如有需要后续可以进行机加工或者拉丝、电镀等二次加工工艺。
2.1 造粒
精细金属粉末和石蜡粘结剂、热塑性塑料按照精确比例进行混合。混合过程在一个专门的混合设备中进行,加热到一定的温度使粘结剂熔化。
大部分情况使用机械进行混合,直到金属粉末颗粒均匀地涂上粘结剂冷却后,形成颗粒状(称为原料),这些颗粒能够被注入模腔。
2.2 注射
颗粒状的原料被送入机器加热并在高压下注入模腔,通过注射成型得到生坯(green part),该过程同塑料注塑成型很类似 。模具可以设计为多腔以提高生产率,模腔尺寸设计要考虑金属部件烧结过程中产生的收缩。
2.3 脱脂

脱脂是将生胚中粘结剂去除的过程,脱脂后得到棕坯(brown part)。这个过程通常分几个步骤完成,绝大部分的粘结剂是在烧结前去除的,残留的部分能够支撑部件进入烧结炉。

脱脂可以通过多种方法完成,最常用的是溶剂萃取法。脱脂后的部件具有半渗透性,残留的粘结剂在烧结时很容易被挥发。

2.4 烧结

经过脱脂的棕坯被放进高温、高压控制的熔炉中。棕坯在气体的保护下被缓慢加热,以去除残留的的粘合剂。粘结剂被完全清除后,棕坯就会被加热到很高的温度,颗粒之间的空隙由于颗粒的融合而消失。棕坯定向收缩到其设计尺寸并转变为一个致密的固体,得到最终的成品。

在烧结过程中,棕坯会发生约20%的整体尺寸收缩。

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MIM的优势
MIM 结合了粉末冶金与塑料注塑成形两大技术的优点,突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制,同时利用了塑料注塑成形技术能大批量、高效率成形具有复杂形状的零件的特点,成为现代制造高质量精密零件的一项近净成形技术,具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。

3.1 可成型高度复杂的零件

相对于其它金属成型工艺,例如钣金冲压、粉末成型、锻造以及机加工等,MIM可成型高度复杂几何形状的零件。

塑料注塑成型所能达成的复杂零件结构,一般来说MIM也可以实现。

利用这一特点,使用MIM有机会把原本由其它金属成型加工的多个零件合并为一个零件,简化产品设计,减少零部件数量,从而减少产品的装配成本。

3.2 材料利用率高

MIM成型是一种近净成型的工艺,其零件其形状已接近最终产品形态,材料利用率高,这一点对于贵重金属的加工损失尤其具有重要意义。

3.3 零件微观组织均匀、密度高、性能好

MIM是一种流体成型工艺,粘接剂的存在保障了粉末的均匀排布,从而可消除毛坯微观组织上的不均匀,进而使烧结制品密度可达到其材料的理论密度。

一般来说,MIM可以达到理论密度的95%~99%,高致密性可使MIM零件强度增加、韧性加强、延展性和导电导热性得到改善,磁性能提高。

而传统粉末成型压制的零件,其密度最高只能达到理论密度的85%,这主要是由于模壁与粉末以及粉末与粉末之间的摩擦力,使得压制压力分布不均匀,也就导致了压制毛坯在微观组织上不均匀,这样就会造成压制粉末冶金件在烧结过程中收缩不均匀,因此不得不降低烧结温度以减少这种效应,从而使制品孔隙度大、材料致密性差、密度低,严重影响零件的机械性能。

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3.4 效率高,易于实现大批量和规模化生产

MIM使用注射机成型产品生坯,生产效率大幅度提高,适合大批量生产;同时注射成型产品的一致性、重复性好,从而为大批量和规模化工业生产提供了保证。

3.5 适用材料范围宽,应用领域广阔

适用于MIM的金属材料非常广泛,原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺制造成成零件,包括传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料。

MIM能加工的金属材料包括低合金钢、不锈钢、工具钢、镍基合金、钨合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、Kovar合金、精细陶瓷等。

此外,MIM也可以根据用户要求进行材料配方研究,制造任意组合的合金材料,将复合材料成型为零件。

MIM成型有色合金铝和铜在技术上是可行的,但是通常由其它更经济的方式进行处理,如压铸或机加工。

3.6 零件精度高

MIM零件的尺寸精度通常是尺寸的± 0.5%,精密级别能达到±0.3%以上。

对于较小的零件尺寸来说,相对其它铸造工艺,MIM的精度较高,一般不必进行二次加工或只需少量精加工,从而减少二次加工的成本。

同其它工艺一样,尺寸精度要求越高成本越高, 因此在质量允许情况下鼓励适度放宽公差要求。

MIM一次成型无法达到的公差可以借助表面处理实现。

MIM与其它工艺的对比
MIM与其它工艺的对比,如下所示:
哪些零件适合MIM工艺
尽管MIM被称为第五代金属成型技术,但并非所有金属零件都适合使用MIM、或者说使用MIM具有经济价值。
只有大批量生产的小型、精密、具备复杂三维几何形状及特殊要求的金属零件,才适合使用MIM、才具有经济价值。
5.1 重量
MIM工艺比较适合重量小的金属零件。
最典型MIM零件重量通常在10~15g左右,少于50克是最具经济价值的,最大不超过300g。
5.2 尺寸
MIM工艺比较适合尺寸小的金属零件。
最典型MIM零件尺寸是在25mm左右,最大不超过150mm。
为什么MIM工艺不适合大尺寸零件呢?
这主要是因为MIM零件公差一般为尺寸大小的0.3%~0.5%,尺寸过大,则零件的公差会变大。公差过大,可能不符合设计要求,或者需要额外的机加工等二次加工工序,增加成本。
5.3 厚度
MIM零件的典型厚度为1.0~3.0mm。
5.4 形状
MIM零件适合具有外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉通孔、盲孔、凹台、键销、加强筋板、表面滚花等复杂三维几何形状。
如果是简单形状,使用钣金冲压、锻造和粉末成型等工艺,可能更具经济价值。
5.5 批量
由于MIM工艺需要通过模具成型,而模具存在成本,因此MIM工艺要求金属零件在一定批量的前提下,才具有经济价值。
一般来说,适合MIM工艺的年批量要求为10万个以上。
新闻来源: 降本设计
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