Kako integrirati MIM za masovno proizvodnjo zapletenih majhnih delov skupaj z AM.

Če ste v zadnjem času kaj časa preživeli na proizvodnih površinah, ste verjetno opazili, da se meja med izdelavo prototipov in serijsko proizvodnjo vsak dan bolj zamegljuje. Aditivna izdelava je nekoč bila 'cool kid' na bloku za izdelavo posameznih prototipov ali resnično nenavadnih geometrij, ki jih noben CNC ni mogel obdelati. Ko pa se pogovor premakne s proizvodnje desetih delov na proizvodnjo deset tisoč delov, se matematični izračuni hitro spremenijo. Prav tam se veliko inženirjev zatakne. Obožujejo svobodo oblikovanja, ki jo omogoča 3D tiskanje kovin, kot so titan ali nerjaveča jeklena, vendar potrebujejo stroške na del in čase cikla, ki jih ponuja tradicionalna orodja. Skrivnost, na katero se trenutno zanašajo številne visoko zmogljive industrije, ni izbira enega pred drugim. Gre za pameten hibridni delovni tok, ki vključuje MIM (metalno injekcijsko litje) v isti pogovor kot aditivno izdelavo.

Za majhne, zapletene sestavne dele, kot so obroči na urah, klešče za kirurška orodja ali celo tiste majhne zaklepne ročice na preklapljivih nožih, je geometrija pogosto preveč zapletena za poceni obdelavo in količina prevelika, da bi bilo lasersko taljenje v praškovnem ležišču ekonomsko smiselno. To je ravno tista točka, kjer integracija postopka MIM skupaj z AM preneha biti le teoretična možnost in postane resna konkurenčna prednost. Omogoča vam, da uporabite 3D-tiskanje za najzahtevnejše naloge pri iteraciji načrtovanja in preverjanju, nato pa preklopite na MIM za najzahtevnejše naloge dejanske proizvodnje. Na papirju se zdi preprosto, a gladko izvedba zahteva razumevanje ključnih pasti v vsakem od obeh procesov.

Temeljna razlika v krčenju in merilu

Najprej naj povemo eno stvar jasno: litje kovinskih prahu s pomočjo injekcijskega litja je postopek, ki temelji na nadzorovani krčitvi. Mešate zelo drobne kovinske prahove z vezivnim sistemom, nato mešanico vstrelite v kalup, ki je glede na končno delovno kos večji, in nato porabite veliko časa ter toplote za odstranitev veziva, preden kovino spretite do polne gostote. Del, ki izide iz peči za spretno obdelavo, je znatno manjši od tistega, ki je noter vstopil. Dejansko se običajno krči za približno petnajst do dvajset odstotkov v linearnem smislu. Če ste inženir, ki ste navajeni skoraj neto točnosti oblike pri napravah za lasersko taljenje prahu v posteljici, se ta stopnja krčitve lahko zdi kot čarodejstvo. Nasprotno pa vam aditivna izdelava zagotovi del, ki je že takoj po izgradnji zelo blizu CAD-datoteke, morda z nekaj deformacijo zaradi ostankov napetosti, a nič podobnega tej ogromni prostorski spremembi.

Tukaj postane integracija zahtevna. Ne morete preprosto vzeti datoteke z načrtom, optimiziranim za AM, in jo poslati oddelku za MIM. Ta lepo lahek, topološko optimiziran nosilec z vsemi organičnimi, tekočimi ukrivitvami? Lahko postane nočna mora pri izvleku iz kalupa. Podrezani deli, ki so pri 3D tiskanju brez problema, saj podporne strukture preprosto raztopite, postanejo pri litju v kalup dragi stranski ukrepi ali drsniki. Ko načrtujete po tej dvojni strategiji, morate hkrati upoštevati svobodo laserskega postopka in tudi ločilno ravnino kalupa. Najuspešnejše integracije obravnavajo AM-del kot funkcionalni prototip, ki potrjuje koncept, nato pa ekipa skupaj prilagodi to geometrijo posebej za litje v kalup, pri čemer ohrani kritične funkcionalne površine. V bistvu prevajate datoteko iz jezika aditivne izdelave v jezik vstrelitvenega litja.

Zakaj začeti z aditivno izdelavo, če je cilj MIM?

Morda se zdi kot dodatna korak. Zakaj ne izdelati kar orodja za MIM in nadaljevati? Odgovor se skoraj vedno izkaže kot hitrost razvoja in stroški napačne odločitve. Orodje za MIM je natančno jekleno delo, ki lahko brez težav stane deset tisoč dolarjev ali več ter za izdelavo in vzorčenje potrebuje osem do dvanajst tednov. Če to orodje vstavite v stiskalnico in nato ugotovite, da je funkcija za zaklepanje malo preveč krhka ali da debelina stene povzroča udarec na nasprotni strani rebra, boste morali opraviti zelo drag in zelo počasen proces spremembe. Takšen časovni okvir preprosto ni sprejemljiv pri razvoju medicinskih naprav ali potrošniške elektronike.

Če v začetni fazi razvojnega cikla uporabite aditivno izdelavo, zlasti z materiali, ki imajo podobne lastnosti kot surovine za postopek MIM, lahko izvajate ponovne izboljšave z izjemno hitrostjo. V enem tednu lahko natisnete deset različnih različic geometrije kljuke z istim sestavom kovinskega prahu, ki se bo kasneje uporabil tudi pri postopku MIM. Lahko preizkusite taktilni občutek, zaklepnih navor in življenjsko dobo obremenitve brez vsakega stika z osnovo za izdelavo plošč. Ko je oblika končana in so potrditveni preskusi uspešno zaključeni, šele takrat začnete izdelavo orodja. To je še posebej pomembno za materiale, ki so priljubljeni v obeh področjih, na primer za nerjavnega jekla 17-4PH ali nizkozlitna jekla. Ne ugibate le, ali bo delo delovalo v kovini – temveč to dokazujete s fizičnim kovinskim delom že veliko pred tem, ko je proizvodna linija pripravljena.

To je vrsta delovnega procesa, s katerim se podjetja, ki se osredotočajo na zapletene majhne dele, kot je npr. Kyhe Tech, redno soočajo. Razumejo, da so zahtevane površinske obdelave in dopustni odmiki med obema procesoma različni. Del, ki izgleda in se občuti popoln pri izdelavi z 3D tiskalnikom, morda zahteva neznatno prilagoditev nagiba strani, da se učinkovito sprosti iz kalupa. Vključitev obeh procesov pomeni, da del oblikujete dvakrat: enkrat za prototip in še enkrat za milijone izdelkov.

Hitra primerjava AM in MIM v proizvodnji

Ko presojate, ali naj del ostane v aditivni izdelavi ali ga prenesete na litje kovinskih praškov (MIM), je koristno primerjati številke obrnjenih strani. Spodnja tabela prikazuje praktične razlike med obema pristopoma za tipično serijo majhnih kovinskih komponent. Upoštevajte, da gre za splošna navodila in da se natančne številke spreminjajo glede na zapletenost geometrije ter določeno zlitino.

Če se na to poglejemo, postane strategično prekrivanje očitno. Aditivna izdelava zmaguje pri hitrosti izhoda na trg in pri izdelavi zapletenih notranjih značilnosti. MIM zmaguje pri enotni ekonomiki, ko se količina poveča in se oblika konča. Najbolj pametne proizvodne strategije obravnavajo ta dva stolpca ne kot nasprotnika, temveč kot različne prestave v istem menjalniku. Med njimi preklopite glede na to, kje ste v življenjskem ciklu izdelka.

Nastavitev natančnosti za visokozmogljivo MIM-proizvodnjo

Toleranca je beseda, ki povzroča strah pri načrtovalcih, ki so novinci v področju litja kovinskih prahu. V dodatni izdelavi lahko običajno dosežete toleranco plus ali minus nekaj tisočink palca na dobro kalibriranem stroju, vendar delate delo plast za plast, kar zahteva čas in denar. Pri MIM-u, ko je orodje pravilno nastavljeno in peč za sintranje ustrezno profilirana, lahko dosežete izjemno ozke tolerance, pogosto plus ali minus pol odstotka dimenzije, skozi stotisoči ciklov, vse za cente na del. A doseči to raven natančnosti zahteva globoko razumevanje tega, kako se delo deformira med odstranjevanjem veziva in sintranjem.

Če v prostor za oblikovanje z metodami MIM uvedete načrt, izdelan z dodatno izdelavo (AM), morate nujno izvesti simulacijo sinteriranja. Te programske orodja vzamejo geometrijo zelene komponente in napovedujejo, kje se bo komponenta med toplotnim ciklom deformirala ali ukrivila. To je nesporno nujno pri zapletenih geometrijah. Lahko imate majhen medicinski sponk, ki izgleda popolna v CAD-datoteki, a ko se skrči za petnajst odstotkov, bo neenakomerna porazdelitev mase povzročila, da se bosta nogici zavili navznoter ali navzven. Rešitev je pogosto dodajanje t.i. nastavitvenih elementov (setters), kar so posebne keramične pritrdilne naprave, ki med sinteriranjem ohranjajo komponento v določenem položaju. Ti pritrdilni elementi pa povzročajo stroške in zasedajo prostor v peči. Boljši pristop je uporaba vpogledov iz preskusov vašega AM-prototipa, da ugotovite, kje lahko dodate ali odstranite zelo majhen zaobljeni prehod (fillet) ali rebro, da bo komponenta sama po sebi ostala točna med skrčitvijo. Gre za natančno uravnoteženje mase, kar je redko težava pri AM-komponentah, ki stojijo na trdni plošči za gradnjo.

Dejavnik poobdelave, o katerem nihče ne govori

Obstaja veliko napačno mnenje, da je del iz postopka MIM po izhodu iz peči za sintranje že pripravljen za dostavo. To je še posebej daleč od resnice, zlasti kadar gre za komponente, ki se povezujejo z drugimi natančnimi mehanizmi. Deli iz postopka MIM imajo ostanki vrat (gate vestiges), imajo tudi prelomne črte (parting line flash) ter površinsko obdelavo, ki je sicer boljša od litih kovinskih delov, a vseeno pogosto zahteva dodatno izboljšavo. Prav tu se je način mišljenja iz področja aditivne izdelave začel zelo pozitivno prenašati tudi na področje MIM.

V aditivni izdelavi smo se zelo navadili na idejo, da del ni končan, ko se laser izklopi. Obstaja vrsta za obdelavo po izdelavi, ki vključuje toplotno obdelavo, odstranjevanje nosilcev in končno obdelavo površine, kot sta na primer razprševanje z drobci ali poliranje v bobnu. V tehniki MIM je zahtevana enaka raven skrbnosti, le pri veliko višji količini. Ne polirate plošče z desetimi deli, temveč boben z desetimi tisoči delov. Ponudniki, ki se izjemajo pri integraciji teh tehnologij, kot so KYHE TECH , so vlagali obsežno v avtomatizirane postopke po obdelavi, ki lahko obravnavajo takšno zmogljivost brez ogrožanja delikatnih značilnosti majhnega in zapletenega dela. Če zasnujete značilnost, ki je preveč krhka, da bi preživela visokoenergijski centrifugalni proces končne obdelave v sodu, ste v bistvu zasnovali del, ki ga ni mogoče ekonomično izdelovati v seriji. Integracija aditivne izdelave (AM) in metalurškega oblikovanja z iztiskanjem (MIM) pomeni razumevanje poti dela vse do končnega predala za pregled, ne glede na to, ali gre za preverjanje z koordinatnim merilnim strojem (CMM) pri posameznem prototipu ali za optični razvrstitevni sistem pri neprekinjenem toku serijsko izdelanih enot.

Oblikovanje za oba sveta brez izgube razuma

Torej kako se dejansko usedete in zasnujete delo, ki ga je mogoče hitro izdelati s pomočjo aditivne izdelave in nato brezhibno povečati v MIM? Ključ do uspeha je, da že zgodaj v vaš proces CAD vključite pravila. Izogibajte se globokim, ozkim luknjam, ki jih je težko očistiti pri orodjih za MIM. Ohranite precej enakomerno debelino sten, da preprečite izkrivljanje med krčenjem pri sintranju. To so ravno tiste stvari, ki jih aditivna izdelava prenese veliko bolje kot MIM.

Vendar obstaja tudi koristno prekrivanje. Načela oblikovanja za aditivno izdelavo, ki poudarjajo izogibanje ostrih vogalov in velikih koncentracij mase, se dejansko odlično ujemajo z dobrimi praksami oblikovanja za postopek MIM. Del, ki je bil topološko optimiziran za odstranitev mase, se bo verjetno tudi enakomernejše sinteriral, saj ste že odstranili debele, težke dele, ki povzročajo toplotno zakasnitev. Če lahko oblikujete del, ki uporablja organsko rešetko ali pametno votlo strukturo za zmanjšanje mase, bo isti del, ko ga prenesete v orodje za MIM, porabil manj materiala, bil cenejši glede na porabo prahu in se skrčil napovedljiveje. To je lep povratni zanki. Uporabite aditivno izdelavo, da najdete popolno obliko. Uporabite to obliko za izdelavo dela MIM, ki bo lažje in cenovno učinkovitejše kot kateri koli drug del, ki ga vaši tekmeci izdelujejo z tradicionalnimi obrabnimi postopki. Gre ne za nadomeščanje MIM z aditivno izdelavo ali obratno, temveč za uporabo najboljšega orodja za ustrezno fazo življenjskega cikla izdelka ter zagotavljanje, da so vaša oblikovanja tekoča v obeh »jezikih«.

Kje ta hibridni pristop sije najsvetlejši

Če pogledate izdelke, ki najbolj profitirajo iz tega dvojnega pristopa, so skoraj vedno majhni, zapleteni in visoko vrednoteni. Pomislite na mikro zobnike znotraj kirurškega kleščastega šivača. Prvih nekaj tisoč enot se izdeluje na laserju z laserskim posteljnim postopkom, medtem ko kirurški tim preverja ergonomijo in zaporedje sprožitve. V tem času se izdeluje orodje za MIM. Ko je oblika končana, se proizvodna linija preklopi in začne mesečno izdelovati desetke tisoč teh zobnikov po ceni, ki predstavlja le del stroškov dodatne izdelave (AM). Pacient ali kirurg nikoli ne opazi razlike, podjetje pa zagotovo opazi vpliv na svoj končni rezultat.

Ta strategija ima tudi zelo pomembno vlogo pri trajnostnosti, ki postaja nepogojna za sodobno proizvodnjo. Izboljšana uporaba surovin za postopek MIM je izjemno visoka v primerjavi z odvzemno obdelavo, pogosto presega devetdeset pet odstotkov. Če to združimo s tem, da aditivna proizvodnja uporabi le toliko prahu, kolikor je potrebnega za določeno geometrijo, dobimo proizvodni ekosistem, ki ustvarja zelo malo odpadkov. Gre za odgovoren način izdelave izdelkov in smer, v katero se industrija giblje. Zmožnost uspešnega premikanja med digitalno prilagodljivostjo 3D-tiskanja in gospodarsko učinkovitostjo litja kovinskih delcev v obliki mase (MIM) loči inovatorje od ostalih. To pomeni, da nikoli niste ujeti. Vedno lahko najdete pravo orodje za pravo količino.