Как да интегрирате MIM за масово производство на сложни малки части заедно с адитивното производство.

Ако напоследък сте прекарали известно време на производствени площадки, вероятно сте забелязали, че границата между прототипирането и пълномащабното производство става все по-неясна с всеки изминат ден. Адитивното производство някога беше модерният новак в града за изработване на единични прототипи или наистина необикновени геометрии, които никаква CNC-машина не можеше да обработи. Но когато разговорът се премести от изработването на десет части към изработването на десет хиляди части, математиката се променя изключително бързо. Точно тук много инженери достигат до задънена улица. Те обичат свободата на проектиране, която предлага 3D печатът на метали като титан или неръждаема стомана, но им е необходима себестойността на отделната част и времето за цикъл, които традиционните формовъчни технологии осигуряват. Тайната, на която в момента разчитат много високопроизводителни отрасли, не е свързана с избора на една технология вместо друга. Тя се крие в умна хибридна работна процедура, която включва MIM (метално инжекционно леене) в същия разговор като адитивното производство.

За малки, сложни компоненти като например циркулярни пръстени на часовници, челюсти на хирургически инструменти или дори тези миниатюрни фиксиращи лостове в сгъваем нож, геометрията често е твърде сложна за евтино машинно обработване, а обемът е твърде голям, за да бъде икономически оправдано използването на лазерно спечатване в прахова легла (LPBF). Това е точно онази „сладка точка“, където интегрирането на метода за формоване чрез инжекционно пресоване на метални прахове (MIM) заедно с адитивното производство (AM) престава да бъде само теория и започва да представлява сериозно конкурентно предимство. Той ви позволява да използвате 3D печат за основната работа по итерация на дизайна и неговата валидация, а след това да превключите към MIM за основната работа по реалното производствено изпълнение. На хартия това звучи просто, но за да се осъществи гладко, е необходимо да разбирате къде са потенциалните рискове във всеки от двата процеса.

Фундаменталната разлика в свиването и мащаба

Нека изясним едно нещо още от самото начало: формоването чрез инжектиране на метални прахове е процес, при който се контролира свиването. Вие смесвате много фини метални прахове със система от свързващи вещества, инжектирате сместа в матрица, която е по-голяма от окончателната детайлна част, а след това отделяте значително време и топлина за отстраняване на свързващите вещества, преди да извършите спечаване на метала до пълна плътност. Детайлът, който излиза от пещта за спечаване, е значително по-малък от този, който е влязъл в нея. Всъщност обикновено се свива линейно с около 15–20 %. Ако сте инженер, свикнал с почти нет-формата точност на машина за адитивно производство с лазерно спечаване в легло от прах, такова ниво на свиване може да ви се стори като магия. От друга страна, адитивното производство ви дава детайл, който е почти идентичен с CAD-файла веднага след изваждането му от платформата за изграждане — може би с малко деформация поради остатъчни напрежения, но нищо в сравнение с тази масивна обемна промяна.

Тук интеграцията става по-сложна. Не можете просто да вземете файл с дизайн, оптимизиран за адитивно производство (AM), и да го изпратите направо на отдела за метално инжекционно формоване (MIM). Този изключително лек монтажен елемент с топология, оптимизирана за AM, с всичките му органични, плавни криви? Той може да се окаже истински кошмар при изваждането от формата. Подрязванията, които са напълно безпроблемни при 3D печат — просто разтваряте подпорите — стават скъпи странични действия или плъзгащи се части в формователния инструмент. Когато проектирате с оглед на тази двойна стратегия, трябва едновременно да имате предвид свободата, която ви дава лазерът, и линията на разделяне на формата. Най-успешните интеграции разглеждат частта, произведена чрез адитивни технологии, като функционален прототип, който потвърждава концепцията, след което екипът сяде и коригира тази геометрия специално за формоваемост, без да жертва критичните функционални повърхности. По същество вие превеждате файл от езика на адитивното производство на езика на инжекционното формоване.

Защо да започнете с адитивно производство, ако крайната цел е металното инжекционно формоване (MIM)?

Може да изглежда като допълнителна стъпка. Защо просто не се изработи инструмент за метода MIM и не се пристъпи направо към производството? Отговорът почти винаги се свежда до скоростта на разработка и разходите, свързани с допускането на грешка. Инструментът за метода MIM е прецизно изработена стоманена детайла, която лесно може да струва десетки хиляди долара и да отнеме от осем до дванадесет седмици за изработка и пробно производство. Ако поставите този инструмент в пресата и едва тогава установите, че фиксиращата клип-система е малко прекалено крехка или че дебелината на стената предизвиква вдлъбнатина срещу реброто, ще трябва да извършите много скъпа и изключително бавна модификация. Такъв график просто не е приложим при разработката на медицински устройства или потребителска електроника.

Чрез използване на адитивното производство в началото на цикъла на разработка, особено с материали, които имитират суровината за процеса MIM, вие можете да извършвате итерации с изключителна скорост. Можете да отпечатате десет различни варианта на геометрията на пантата за една седмица, като използвате същия състав на метален прах, който впоследствие ще бъде използван в процеса MIM. Можете да тествате тактилното усещане, стартовия въртящ момент и умората на материала, без изобщо да докосвате матрицата. Веднъж, когато дизайновото решение е окончателно потвърдено и валидационните изпитания са одобрени, тогава започва производството на инструментите. Това е особено актуално за материали, които са популярни и в двете области, като например неръждаема стомана 17-4PH или нисколегирани стомани. Вие не просто предполагате, че детайлът ще функционира в метал – вие го доказвате с физически метален детайл още дълго преди производствената линия да е готова.

Това е вид работен процес, с който компании, насочени към производството на сложни малки части – като Kyhe Tech, – се сблъскват редовно. Те разбират, че изискванията за повърхностна обработка и допуските са различни при двата процеса. Детайл, който изглежда и усеща перфектно след изваждането му от 3D принтер, може да изисква лека корекция на ъгъла на изваждане, за да се освободи ефективно от формата. Интегрирането на тези процеси означава, че проектирате детайла два пъти: веднъж за прототипа и веднъж за милионите бройки.

Бързо сравнение между адитивното производство и металното инжекционно формоване в серийното производство

Когато решавате дали да запазите един детайл в адитивното производство или да го преместите към метално инжекционно формоване, полезно е да сравните числата един до друг. В таблицата по-долу са представени практическият разликите между двата подхода за типична серия от малки метални компоненти. Имайте предвид, че това са общи насоки и точните стойности могат да се променят в зависимост от сложността на геометрията и конкретния сплав.

При разглеждане на това стратегическото припокриване става очевидно. Адитивното производство печели надпреварата за скорост на излизане на пазара и за сложни вътрешни характеристики. МИМ (метално инжекционно формоване) печели надпреварата за икономика на единица, след като обемите нарастват и дизайновата версия е финализирана. Най-умните производствени стратегии разглеждат тези две колони не като съперници, а като различни предавки в една и съща скоростна кутия. Превключвате между тях в зависимост от етапа, на който се намирате в жизнения цикъл на продукта.

Настрачване на допуските за високотомна МИМ-производствена серия

Допускът е думата, която ужасява до смърт начинаещите проектиранти, които са нови в метода за формоване чрез инжектиране на метал (MIM). При адитивното производство обикновено можете да постигнете допуск от плюс или минус няколко хилядни от инча на добре калибрирана машина, но изграждате тази детайл слой по слой – процес, който отнема време и пари. При MIM, след като формата е точно настроена и печката за спечаване е коректно профилирана, можете да поддържате изключително строги допуски – често плюс или минус половин процент от размера – при стотици хиляди цикъла, всичко това за няколко цента на детайл. Но постигането на такава прецизност изисква дълбоко разбиране на начина, по който детайлът се деформира по време на отстраняването на свързващото вещество и спечаването.

Ако пренасяте дизайн, създаден чрез адитивно производство (AM), в областта на металното инжекционно формоване (MIM), задължително е да извършите симулация на спечаването. Тези софтуерни инструменти вземат геометрията на зелената част и прогнозират къде частта ще се огъне или деформира по време на термичния цикъл. Това е непременно условие за сложни геометрии. Може би имате малка медицинска клипса, която изглежда перфектна в CAD-файла, но когато се свие с петнадесет процента, неравномерното разпределение на масата ще предизвика усукване на нозете й навътре или навън. Решението често е да се добавят т.нар. „сетъри“ — специални керамични фиксиращи приспособления, които удръжат частта в определено положение по време на спечаването. Но тези приспособления струват пари и заемат място в пещта. По-доброто решение е да използвате знанията от тестването на прототипите си, произведени чрез адитивно производство (AM), за да определите къде може да се добави или премахне миниатюрна закръглена повърхност (филет) или ребро, за да помогне на частта да запази правилната си форма самостоятелно по време на свиването. Това е деликатен баланс на масата — нещо, което рядко представлява проблем при част, произведена чрез адитивно производство (AM), която стои върху твърда платформа за изграждане.

Факторът за следобработка, за който никой не говори

Съществува голямо заблуждение, че веднъж след като една част, произведена чрез метода MIM, излезе от пещта за спечаване, тя е готова за изпращане. Това е далеч от истината, особено когато става дума за компоненти, които взаимодействат с други прецизни механизми. Частите, произведени чрез метода MIM, имат остатъци от входни порти, имат фланелови излишъци по линията на разделяне и имат повърхностна шерохватост, която, макар и по-добра от тази при литите метални части, все още може да изисква допълнителна обработка. Точно тук начина на мислене, свързан с адитивното производство, започва да прониква в областта на MIM по много положителен начин.

В адитивното производство сме свикнали с идеята, че детайлът не е завършен, когато лазерът се изключи. Съществува опашка от постобработка, която включва термична обработка, премахване на подпори и финишна обработка на повърхността, например чистене с топлинни гранули или полирване в барабан. В метода MIM се изисква същото ниво на внимание, но при много по-големи обеми. Вие не полирате в барабан десет детайла, а десет хиляди детайла. Доставчиците, които се отличават с интеграцията на тези технологии, като KYHE TECH , са инвестирани значителни средства в автоматизирани линии за следобработката, които могат да обработват такъв обем без компромиси относно деликатните характеристики на малка и сложна детайла. Ако проектирате характеристика, която е твърде крехка, за да издържи високоенергийния центрофугален барабанен финишинг процес, вие всъщност сте проектирали детайл, който не може да се произвежда масово по икономически изгоден начин. Интегрирането на адитивното производство (AM) и металното инжекционно формоване (MIM) означава да се разбере целият жизнен цикъл на детайла чак до финалната проверка в подложката за инспекция — независимо дали това включва проверка с координатно-измервателна машина (CMM) за единичен прототип или оптична сортираща система за непрекъснат поток от серийни изделия.

Проектиране за двете среди, без да изгубите ума си

Така че как всъщност сядаш и проектираш детайл, който може бързо да бъде прототипиран чрез адитивно производство, а след това безпроблемно да бъде мащабиран за производство чрез метода MIM? Ключът е да вградиш набор от правила в процеса си на CAD още в началото. Трябва да избягваш дълбоки и тесни отвори, които е трудно да се почистят при инструментите за MIM. Трябва да поддържаш относително еднородна дебелина на стените, за да се предотврати деформация по време на свиването при спечаване. Това са точно онези неща, които адитивното производство понася много по-добре в сравнение с MIM.

Но има и кросовър полза. Дизайнът, базиран на принципите на адитивното производство, който подчертава избягването на остри ъгли и големи концентрации на маса, всъщност се съгласува отлично с добрите практики за дизайн при метода MIM. Детайл, който е топологично оптимизиран за намаляване на масата, вероятно ще се спече по-равномерно, тъй като вече сте елиминирали дебелите и тежки секции, които предизвикват топлинно закъснение. Ако можете да проектирате детайл, който използва органична решетка или умна холова структура за намаляване на теглото, същият този детайл, когато бъде пренесен в MIM-форма, ще използва по-малко материали, ще струва по-малко във вид на прах и ще се свие по-предсказуемо. Това е прекрасен обратен връзков цикъл. Използвайте адитивното производство, за да откриете идеалната форма. Използвайте тази форма, за да създадете MIM-детайл, който е по-лек и по-икономичен от всичко, което конкурентите ви произвеждат чрез традиционно машинно обработване. Става дума не за заместване на MIM с адитивно производство или обратното, а за използване на най-подходящия инструмент за подходящия етап от жизнения цикъл на продукта и за осигуряване на дизайни, които са свободно владеещи и двата езика.

Където този хибриден подход проявява най-голямата си ефективност

Ако разгледате продуктите, които най-много се възползват от този двойствен подход, те почти винаги са малки, сложни и с висока стойност. Помислете за микрогърните вътре в хирургичен клипсатор. Първите няколко хиляди бройки може да се произвеждат на лазерна машина с порошкова легла, докато хирургическият екип проверява ергономиката и последователността на активиране. През това време се изработва формата за метално инжекционно пресоване (MIM). Щом дизайновата версия бъде окончателно утвърдена, производствената линия се превключва и започва да произвежда десетки хиляди такива зъбчати колела месечно при част от разходите за адитивното производство. Пациентът или хирургът никога не забелязват разликата, но финансовият резултат на компанията определено се влияе.

Тази стратегия също играе изключително важна роля за устойчивостта, която става задължителна в съвременното производство. Използването на суровината за метално инжекционно формоване (MIM) е изключително високо в сравнение с отнемащото машинно обработване — често над деветдесет и пет процента. Когато това се комбинира с факта, че адитивното производство използва само онзи прах, който е необходим за конкретната геометрия, се получава производствена екосистема, която генерира изключително малко отпадъци. Това е отговорен начин за производство и именно натам се насочва индустрията. Способността да се движиш както в рамките на цифровата гъвкавост на 3D-печатащите технологии, така и в границите на икономическата ефективност на металното инжекционно формоване, е това, което отличава иноваторите от останалите. Това означава, че никога не сте „залостени“. Винаги можете да намерите подходящия инструмент за подходящия обем.