Miten integroida MIM-monimutkaisten pienien osien sarjatuotantoon yhdessä AM:n kanssa.

Jos olet viime aikoina käynyt teollisuustuotantolaitoksissa, olet todennäköisesti huomannut, että prototyypityksen ja täysmittaisen tuotannon välinen raja hämärtyy päivä päivältä. Lisäävä valmistus oli aiemmin suosittu vaihtoehto yksittäisten prototyyppien tai erinomaisen monimutkaisten geometrioiden valmistamiseen – sellaisia, joita ei voitu valmistaa CNC-koneella. Mutta kun keskustelu siirtyy kymmenestä osasta kymmenentuhanteen osaan, laskutoimitukset muuttuvat nopeasti. Tässä vaiheessa monet insinöörit törmäävät esteeseen. He pitävät suuresti 3D-tulostuksen tarjoamasta suunnitteluvapaudesta, joka mahdollistaa esimerkiksi titaanin tai ruostumatonta terästä käyttävien osien valmistamisen, mutta he tarvitsevat kuitenkin peruosan kustannuksia ja kiertoaikoja, joita perinteinen työkalujen käyttö tarjoaa. Monet korkean suorituskyvyn alat hyödyntävät tällä hetkellä salaisuutta, joka ei liity siihen, että valittaisiin joko toinen tai toinen vaihtoehto. Kyse on pikemminkin älykkäästä hybridityönkulusta, jossa metallipulverin suihkutusmuovaus (MIM, Metal Injection Molding) otetaan samaan keskusteluun lisäävän valmistuksen kanssa.

Pienille, monimutkaisille komponenteille, kuten kellotaulujen reunoille, kirurgisten työkalujen kiinnityskampaan tai jopa pienille lukitusvipuille taittuvassa veitsessä, geometria on usein liian monimutkainen edulliselle koneistamiselle ja tuotantomäärä liian suuri, jotta laserpohjainen pulverimetallurgia olisi taloudellisesti kannattavaa. Tämä on juuri se alue, jossa MIM-tekniikan (metal injection molding) ja lisäämällä valmistetun (AM) teknologian yhdistäminen siirtyy teoriasta käytännön kilpailuetulyöntiin. Se mahdollistaa 3D-tulostuksen käytön suunnittelun iteraatioihin ja validointiin, jonka jälkeen siirrytään MIM-tekniikkaan varsinaisen tuotannon suurimittaiseen toteuttamiseen. Se kuulostaa yksinkertaiselta paperilla, mutta sen onnistunut toteuttaminen vaatii syvällistä ymmärrystä kummankin prosessin mahdollisista ongelmakohdista.

Perustavanlaatuinen ero kutistumisessa ja mittakaavassa

Selvennetään heti alkuun yksi asia: metallipulverin suoritusmuovaus on hallitun kutistumisen peliä. Sekoitat erinomaisen hienojakoista metallijauhetta sidontajärjestelmän kanssa, injektoit seoksen muottiin, joka on suurempi kuin lopullinen osa, ja käytät sitten paljon aikaa ja lämpöä poistaaksesi sidontaineen ennen metallin sintrausta täyteen tiukkuuteen. Sintrausuunista tuleva osa on huomattavasti pienempi kuin se, joka meni sisään. Tosiasiassa se kutistuu yleensä noin viisitoista–kaksikymmentä prosenttia lineaarisesti. Jos olet insinööri, joka on tottunut laserpulveripetimuovauksen lähes valmisosatarkkuuteen, tämä kutistumistaso voi tuntua kuin voodoo-taikaa. Lisäysvalmistus puolestaan tuottaa osan, joka on melko lähellä CAD-tiedostoa suoraan rakennusalustalta, ehkä hieman vääntynyt jäännösjännitysten vuoksi, mutta ei mitään verrattavaa tähän valtavaan tilavuudelliseen muutokseen.

Tässä integraatio muuttuu vaikeaksi. Et voi ottaa suoraan lisävalmistukseen optimoitua suunnittelutiedostoa ja lähettää sitä MIM-osastolle. Se kauniisti kevyt topologioptimoitu kiinnike, jossa on kaikki ne orgaaniset, virteilevät kaaret? Se saattaa olla painokelvoton poistaa muotista. Alakoukut, jotka ovat helppoa toteuttaa 3D-tulostuksessa, koska tuen materiaali voidaan yksinkertaisesti liuottaa pois, muodostavat kalliita sivutoimintoja tai liukumekanismia muottityökalussa. Kun suunnittelet tätä kaksitasoista strategiaa, sinun on pidettävä silmällä sekä laserin vapautta että muotin jakotason sijaintia. Onnistuneimmat integraatiot käyttävät lisävalmistettua osaa toiminnallisena prototyyppinä, joka todistaa käsitteen toimivuuden, jonka jälkeen tiimi istuu yhteen ja säätää kyseistä geometriaa erityisesti muottikelpoisuuden varmistamiseksi ilman, että kriittiset toiminnalliset pinnat kärsivät. Olet käytännössä kääntämässä tiedoston lisävalmistuksen kielestä muotintamisen kieleen.

Miksi aloittaa lisävalmistuksesta, jos tavoitteena on muotintaminen

Se saattaa vaikuttaa ylimäriseltä vaiheelta. Miksi ei suoraan valmistaa MIM-työkalua ja jatkaa eteenpäin? Vastaus liittyy lähes aina kehityksen nopeuteen ja virheen kustannuksiin. MIM-työkalu on tarkkuusvalmistettu terösosia, jonka hinta voi helposti olla kymmeniä tuhansia dollareita ja jonka valmistaminen ja näytteiden ottaminen kestää kahdeksan–kaksitoista viikkoa. Jos asennat kyseisen työkalun puristimeen ja huomaat sitten, että kiinnityskohdan muoto on hieman liian hauras tai että seinämän paksuus aiheuttaa painauman ripan vastakkaisella puolella, sinulla on edessä erinomainen kustannuksellinen ja erinomainen hidasta muokkausprosessi. Tällainen aikataulutus ei yksinkertaisesti sovi lääkintälaitteiden kehitykseen tai kuluttajaelektroniikkaan.

Jos lisävalmistus otetaan mukaan kehityssyklin alussa, erityisesti käyttäen materiaaleja, jotka vastaavat MIM-syöttöainetta, voidaan suorittaa runsaasti iterointeja. Voit tulostaa kymmenen eri versiota sarana-geometriasta viikossa käyttäen samaa metallijauhekoostumusta, jota käytetään lopulta MIM-prosessissa. Voit testata kosketustunnetta, irtoamisvääntömomenttia ja väsymiselämää ilman, että kosketat koskaan muottipohjaa. Kun suunnittelu on lopullistettu ja validointitestaus on hyväksytty, silloin aloitetaan työkalujen valmistus. Tämä on erityisen merkityksellistä materiaaleille, jotka ovat suosittuja molemmissa sovellusalueissa, kuten 17–4PH-rustin-teräkselle tai aliallisille teräksille. Et vain arvaa, toimiiko osa metallina. Osoitat sen fyysisellä metalliosalla paljon ennen kuin tuotantolinja on valmis.

Tämä on sellainen työnkulku, johon yritykset, kuten Kyhe Tech, jotka keskittyvät monimutkaisiin pieniin osiin, törmäävät säännöllisesti. Ne ymmärtävät, että pinnankäsittelyn vaatimukset ja toleranssialueet eroavat kahden prosessin välillä. Osan, joka näyttää ja tuntuu täydelliseltä 3D-tulostimen tuottamalta, saattaa vaatia hieman säädettävän kallistuskulman, jotta se irtoaa muotista tehokkaasti. Näiden prosessien integrointi tarkoittaa, että osaa suunnitellaan kahdesti: kerran prototyyppiä varten ja kerran miljoonille tuotteille.

Nopea vertailu lisävalmistuksesta (AM) ja metallipulverin suihkutusmuovauksesta (MIM) tuotannossa

Kun päätät, pitäisikö osa säilyttää lisävalmistuksessa vai siirtää se metallipulverin suihkutusmuovaukseen (MIM), on hyödyllistä tarkastella lukuja rinnakkain. Alla oleva taulukko esittää käytännön eroja kahden menetelmän välillä tyypillisessä pienien metallikomponenttien tuotantosarjassa. Huomioithan, että nämä ovat yleisiä ohjeita ja että tarkat luvut vaihtelevat osan geometrian monimutkaisuuden ja käytetyn seoksen mukaan.

Tästä tarkastelusta strateginen päällekkäisyys tulee ilmeiseksi. Lisävalmistus voittaa kilpailun markkinoille pääsystä ja monimutkaisista sisäisistä ominaisuuksista. MIM voittaa kilpailun yksikkökustannuksissa, kun tuotantomäärä kasvaa ja suunnittelu on lopullistettu. Älykkäimmät valmistusstrategiat käsittävät nämä kaksi saraketta ei kilpailijoina vaan eri vaihteina samassa vaihteistossa. Vaihdat niiden välillä sen mukaan, missä vaiheessa tuotteen elinkaarta olet.

Toleranssien säätäminen korkean tilavuuden MIM-tuotannossa

Toleranssi on sana, joka pelottaa kauhuun suunnittelijoita, jotka ovat uusia metallipulverin suoramuovauksessa (MIM). Lisävalmistuksessa hyvin kalibroitu kone pystyy yleensä pitämään toleranssin muutaman tuhannesosan tuuman verran plus tai miinus, mutta osaa valmistetaan kerros kerrokselta, mikä vie aikaa ja rahaa. MIM-menetelmässä, kun työkalu on saatu tarkalleen säädetyksi ja sintrausuuni on profiloitu oikein, voidaan pitää erinomaisen tiukkoja toleransseja – usein plus tai miinus puoli prosenttia mitasta – sadoissa tuhansissa kierroksissa, kaikki vain penniä kohden osaa. Tämän tason tarkkuuden saavuttaminen vaatii kuitenkin syvää ymmärrystä siitä, kuinka osa vääntyy poistovaiheessa ja sintrauksessa.

Jos tuotteet, jotka on suunniteltu lisävalmistukseen (AM), otetaan mukaan MIM-prosessiin, sinun on ehdottomasti suoritettava sinteröintisimulaatio. Nämä ohjelmistot hyödyntävät raakakappaleen geometriaa ja ennustavat, missä kohdassa kappale muovautuu tai vääntyy lämpökäsittelyn aikana. Tämä on ehdoton vaatimus monimutkaisille geometrioille. Esimerkiksi pieni lääketieteellinen kiinnitin voi näyttää täydelliseltä CAD-tiedostossa, mutta kun se kutistuu viiteentoista prosenttiin, epätasainen massajakauma saa jalkojen kiertämään sisäänpäin tai ulospäin. Ratkaisuna ovat niin sanotut settärit, jotka ovat erityisvalmistettuja keraamisia kiinnityslaitteita, joilla pidetään kappaletta tietyn asennon säilyttämisessä sinteröinnin aikana. Nämä kiinnityslaitteet kuitenkin aiheuttavat kustannuksia ja vievät tilaa uunissa. Parempi lähestymistapa on käyttää lisävalmistukseen perustuvien prototyyppitestien tuloksia tunnistamaan ne kohdat, joissa pieni pyöristys tai ripaus voidaan lisätä tai poistaa, jotta kappale säilyttää muotonsa kutistumisen aikana ilman ulkoisia tukilaitteita. Kyseessä on hienosäätöä vaativa massatasapainon hallinta – asia, joka harvoin aiheuttaa huolta lisävalmistetussa kappaleessa, joka seisoo jäykällä rakennuslevyllä.

Jälkikäsittelytekijä, josta kukaan ei puhu

On olemassa suuri väärinkäsitys siitä, että kun MIM-osan valmistus on saatu päätökseen sinteröintiuunissa, se on valmis toimitettavaksi. Tämä on erityisen kaukana totuudesta, erityisesti kun puhutaan osista, jotka liittyvät muihin tarkkuusmekanismeihin. MIM-osissa on porttijäännöksiä, jakotason välitilaa (flash) ja pinnankäsittelyä, joka on vaikkakin parempi kuin valutetun metallin, mutta joka saattaa edelleen vaatia hienosäätöä. Juuri tässä vaiheessa lisävalmistustekniikan ajattelutapa on alkanut leviämään MIM-maailmaan erinomaisella tavalla.

Lisävalmistuksessa olemme tottuneet siihen ajatukseen, että osa ei ole valmis, kun lasersäde sammutetaan. On olemassa jälkikäsittelyjonot, joihin kuuluvat lämpökäsittely, tukirakenteiden poisto sekä pinnan viimeistely, kuten pallohiomu tai tumpelointi. MIM-prosessissa vaaditaan samaa huolellisuutta, mutta paljon suuremmassa mittakaavassa. Et tumpeloita kymmentä osaa sisältävää laatikkoa, vaan kymmentä tuhatta osaa sisältävää rummua. Palveluntarjoajat, jotka ovat erinomaisia näiden teknologioiden integroinnissa, kuten KYHE TECH , ovat sijoittaneet runsaasti automatisoituun jälkikäsittelylinjaan, joka pystyy käsittelmään tällaista tuotantokapasiteettia vaivatta vaarantaa pieniä ja monimutkaisia osia koskevia hienovaraisia ominaisuuksia. Jos suunnittelet ominaisuuden, joka on liian hauras kestämään korkean energian keskipakohyllykäsittelyn, olet käytännössä suunnitellut osan, jota ei voida tuottaa taloudellisesti sarjatuotannossa. AM:n ja MIM:n yhdistäminen edellyttää osan koko matkan ymmärtämistä aina lopulliseen tarkastuslaatikkoon saakka, olipa kyseessä yhden prototyypin CMM-tarkastus tai jatkuvan tuotantovirran optinen lajittelujärjestelmä.

Suunnittelu molempiin maailmoihin ilman mielentilaan vaikutusta

Mutta miten oikeastaan istutaan alas ja suunnitellaan osa, joka voidaan valmistaa nopeasti prototyyppinä lisäämällä materiaalia ja jonka tuotanto voidaan sitten laajentaa saumattomasti metallipulverin injektiomuovaukseen (MIM)? Salaisuus on rakentaa säännöt CAD-suunnitteluprosessiin varhaisessa vaiheessa. Haluat välttää syviä ja kapeita reikiä, joita on vaikea puhdistaa MIM-muottien yhteydessä. Haluat säilyttää suhteellisen tasaisen seinämän paksuuden estääksesi vääntymisen sintrauksen kutistumisen aikana. Nämä ovat juuri sellaisia asioita, joita lisäämällä materiaalia valmistettavat osat kestävät huomattavasti paremmin kuin MIM-osat.

Mutta on myös ristikkäinen hyöty. Lisävalmistuksen periaatteita varten suunniteltu rakenne, joka korostaa terävien kulmien ja suurten massakeskittymien välttämistä, sopii itse asiassa erinomaisesti hyvien MIM-suunnitteluperiaatteiden kanssa. Osan, joka on topologisesti optimoitu massan poistamiseksi, todennäköisesti sinteröidään myös tasaisemmin, koska olet jo poistanut ne paksut, painavat osat, jotka aiheuttavat lämpöhäviön. Jos voit suunnitella osan, jossa käytetään orgaanista hilarakennetta tai älykästä onttoa rakennetta painon vähentämiseksi, sama osa, kun se muunnetaan MIM-työkaluksi, kuluttaa vähemmän materiaalia, on halvempi jauheesta ja kutistuu ennustettavammin. Kyseessä on kaunis takaisinkytkentäsilmukka. Käytä lisävalmistusta löytääksesi täydellinen muoto. Käytä tätä muotoa luodaksesi MIM-osan, joka on kevyempi ja kustannustehokkaampi kuin mikään kilpailijoidesi valmistama osa perinteisillä koneistusmenetelmillä. Kyse ei ole lisävalmistuksesta, joka korvaa MIM:n tai päinvastoin. Kyse on siitä, että käytetään parasta työkalua oikeaan tuotteen elinkaaren vaiheeseen ja varmistetaan, että suunnittelut ovat sujuvia molemmissa kielissä.

Missä tämä hybridilähestymistapa loistaa eniten

Jos tarkastelet tuotteita, jotka hyötyvät eniten tästä kaksitasoisesta lähestymistavasta, ne ovat melkein aina pieniä, monimutkaisia ja korkean arvon tuotteita. Ajattele esimerkiksi mikrohammaspyöröitä kirurgisessa ruuvimeisselissä. Ensimmäiset tuhannet yksiköt valmistetaan todennäköisesti laserpulveripetimen avulla, kun kirurginen tiimi testaa ergonomiaa ja laukaisujärjestelmää. Samana aikana MIM-työkalu valmistetaan. Kun suunnittelu on lopullistettu, tuotantolinja siirtyy vaihtoon ja alkaa tuottaa tuhansia näitä hammaspyöriä kuukaudessa vain murto-osan lisävalmistuksen (AM) kustannuksista. Potilas tai kirurgi ei huomaa eroa, mutta yrityksen voittolisä varmasti huomaa.

Tämä strategia vaikuttaa myös suuresti kestävyyteen, joka on nykyaikaisessa valmistuksessa muodostunut neuvottelukyvyttömäksi vaatimukseksi. MIM-syöttöaineen hyötyosuus on erinomaisen korkea verrattuna poistovirtaustekniikkaan ja ylittää usein yhdeksänkymmentä viisi prosenttia. Kun tämä yhdistetään siihen tosiasiaan, että lisäävä valmistus käyttää vain sitä jauhetta, joka tarvitaan tietyn geometrian valmistukseen, syntyy valmistusjärjestelmä, joka tuottaa hyvin vähän jätettä. Tämä on vastuullinen tapa valmistaa tuotteita, ja teollisuus onkin siirtymässä tähän suuntaan. Kyky hyödyntää sekä 3D-tulostuksen digitaalista joustavuutta että metallipulverin suihkutusmuovauksen taloudellista tehokkuutta erottaa innovaattorit muista. Tämä tarkoittaa, ettei sinua koskaan jumitu – voit aina löytää oikean työkalun oikeaan tuotantomäärään.