Aký je rozdiel medzi CNC a MIM?

Minulý štvrťrok nám spoločnosť vyrábajúca zdravotnícke pomôcky poslala súčiastku, ktorú obrábali tri roky. Držiak z nehrdzavejúcej ocele, 47 funkcií, 23 dolárov za kus, 60 000 kusov ročne. Chceli vedieť, či MIM dokáže znížiť ich náklady.

 

Spustili sme analýzu. Nástroje MIM by stáli 52 000 dolárov. Cena za-kus by klesla na 4,20 USD. Prekonať-dokonca na 2 766 kusoch, takže investície do nástrojov by sa im vrátili už v prvom mesiaci výroby a potom by ušetrili 1,1 milióna USD ročne.

 

Neprepínali sa.

 

Konzola mala dva otvory vyžadujúce ±0,02 mm na uloženie lisu ložísk-. MIM pri ± 0,3 % na týchto 18 mm vlastnostiach by poskytlo ± 0,054 mm, takmer trikrát príliš voľné. Mohli by sme MIM telo a CNC-dokončiť vývrty, ale cena tohto hybridného prístupu je 7,80 USD/kus. Stále šetrí peniaze, ale nie dramatické zníženie, ktoré chceli.

Tolerancia

To je miesto, kde väčšina projektov MIM zomrie. Miera tolerancie MIM v percentách, štandardne ±0,3 %, optimalizované ±0,1 %. Inžinieri vidia ±0,3 % a myslia „tesne“. Na malých vlastnostiach áno.

CNC má absolútnu toleranciu. MIM váhy s veľkosťou. To 50 mm vŕtanie pri ± 0,05 mm? MIM sa ho nemôže dotknúť bez sekundárneho obrábania.

Ale keď tolerancie fungujú, úspory sú skutočné. Program chirurgických nástrojov spoločnosti Spine Wave je prípad, na ktorý sa najčastejšie odvolávame, pretože čísla sú verejné a príbeh je kompletný. K svojmu dodávateľovi MIM prišli s komponentom prepravného zámku pre zariadenie na spinálnu fúziu Velocity®. Súčiastka bola obrábaná za 18 dolárov za kus, čo nie je poburujúce pre medicínsky komponent, ale potrebovali 75 000 jednotiek ročne. Ročné výdavky na obrábanie: 1,35 milióna dolárov.

Hodnotenie MIM trvalo štyri mesiace. Nástroje stáli 38 000 dolárov. Prvé články vyžadovali dve úpravy spekacích cyklov, aby dosiahli rozmerové špecifikácie. Cena za-kus sa vyšplhala na 2,80 USD. Celkovo za prvý rok: 248 000 USD vrátane amortizácie nástrojov. Za prvý rok ušetrili viac ako milión dolárov. Do tretieho roku presiahli kumulatívne úspory 3,2 milióna dolárov.

Proces

MIM je postupnosť transformácií. Kovový prášok s priemerom 2 až 20 mikrónov sa zmieša s termoplastickým spojivom na približne 60 % prášku až 40 % objemu spojiva. Zmes sa pri vstrekovaní správa ako plast. Steká do dutín foriem a tuhne do „zelených častí“, ktoré vyzerajú správne, ale nemajú štrukturálnu integritu.

Zelená časť prechádza odstraňovaním väzieb, tepelným rozkladom alebo extrakciou rozpúšťadlom, aby sa odstránil polymér. Čo zostáva, je "hnedá časť": kovový prášok držaný pohromade trením a zvyškovým spojivom. Dostatočne krehký na to, aby sa rozpadol, ak s ním zle naložíte.

Hnedá časť vstupuje do spekacej pece, ktorá pracuje pri 85-95 % teploty topenia zliatiny. V priebehu 15-20 hodín difúzia v tuhom stave spája častice prášku. Diel sa zmenšuje o 15-20% vo všetkých rozmeroch, keď sa pórovitosť zrúti a hustota sa zvýši. Diel vylisovaný na 60 mm vychádza zo spekania pri 48-51 mm.

Zmršťovanie je predvídateľné v súhrne, ale nie je dokonale rovnomerné. Gravitácia ovplyvňuje časti rôzne v závislosti od orientácie pece. Rozloženie hmoty ovplyvňuje miestne rýchlosti zmršťovania. Zmeny hrúbky steny vytvárajú rozdielne zmršťovanie, ktoré deformuje diely.

Videli sme, že diely vychádzajú zo spekania rozmerovo správne a diely z tej istej formy vychádzajú skrútené, pretože niekto zle naložil pec pece. Takéto veci sa stávajú viac, ako si dodávatelia radi pripúšťajú. Vývoj spekacích prípravkov, podpier, ktoré držia geometriu dielu počas niekoľkých hodín-dlhého tepelného cyklu, je inžinierska práca, nie komodita. Dodávatelia, ktorí nemajú skúsenosti s geometricky podobnými dielmi, prejdú návrhmi upínacích prípravkov na vaše náklady.

Neúspechy

Kontrola atmosféry v spekacej peci určuje, či váš materiál skutočne spĺňa špecifikácie. Nerezové ocele potrebujú vodíkovú alebo vákuovú atmosféru. Nesprávna atmosféra alebo kontaminácia atmosféry zo špinavej pece spôsobuje, že chróm migruje z povrchu. Časti vyzerajú dobre. Skontrolujte rozmery. Odolnosť proti korózii je však zničená, pretože povrchový chróm je vyčerpaný. Odmietli sme prichádzajúce diely MIM od iných dodávateľov, ktoré prešli rozmerovou kontrolou, ale neprešli testovaním soľným sprejom za menej ako 100 hodín.

Časti MIM si zachovávajú 1-4% pórovitosť. Tieto dutiny zachytávajú akúkoľvek kontamináciu vo vašom prostredí: chladiacu kvapalinu pri obrábaní, rezný olej, atmosférickú vlhkosť.

Pred dvoma rokmi sme mali zákazníka, ktorý špecifikoval MIM na konštrukčné konzoly na zníženie nákladov. Výroba prebiehala bez problémov osem mesiacov. Potom sa ich tím terénnych služieb pokúsil zvariť konzolu počas opravy zariadenia.

Zvar zlyhal. Opakovane.

Zachytená kontaminácia vyparujúca sa cez zvarový kúpeľ vytvorila pórovitosť a inklúzie, ktoré zničili integritu spoja. Na náhradné diely museli kvalifikovať nového dodávateľa CNC. „Úspora nákladov“ vďaka MIM sa zmenila na núdzové obstarávacie náklady, oneskorenia v teréne a problém so vzťahmi so zákazníkmi.

Ak vaše diely niekedy potrebujú zváranie, montáž, opravu alebo úpravu v teréne, MIM je diskvalifikovaný.

Únava je ďalšia vec, na ktorú dostávame otázky. Kované tyčové stroje so 100% hustotou s konzistentnou štruktúrou zrna. MIM sa speká na 96-99% hustotu s distribuovanou mikroporéznosťou. Statická pevnosť je ekvivalentná. Testovali sme 17-4PH MIM súčiastky v porovnaní s kovanými špecifikáciami a zhodujú sa v ťahu, výťažnosti a tvrdosti. 17-4PH H900 beží 1070-1190 MPa UTS, 970-1090 MPa výťažnosť, 35-40 HRC. 316L dosahuje optimálnu odolnosť voči korózii pri minimálnej odolnosti 520 MPa. Ale tieto mikropóry pôsobia ako koncentrátory stresu pri cyklickom zaťažení. Pre diely s 10^7+ cyklami, rotujúce hriadele, konzoly zaťažené vibráciami, čokoľvek s rezonanciou, kovaný materiál prekonáva MIM. Izostatické lisovanie za horúca môže uzavrieť pórovitosť a obnoviť únavový výkon, ale pridáva 10 – 25 USD za diel.

Povrchová úprava: MIM ako-sintrované dosahuje Ra 0,8 – 1,6 μm, hladšie ako štandardné CNC s Ra 3,2 μm. Hustota je 96-99% alebo 99%+ s HIP. Normy, ak ich potrebujete: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.

Objem

Rovnomerný-vzor: náklady na nástroje MIM vydelené-úsporou za kus. Forma v hodnote 40 000 USD s úsporou 14 USD/kus dokonca predstavuje 2 857 kusov. Nad tento objem každá časť ušetrí 14 dolárov. Pri 50 000 ročnom objeme je to 700 000 dolárov ročne.

Len asi polovica MIM foriem, ktoré uvádzame, sa dostane do výroby. Konštrukčné zmeny po spustení nástrojov stoja 2 000 – 15 000 USD za úpravu. Programy, ktoré sa snažia o znižovanie nákladov pred stabilitou návrhu, nakoniec platia za nástroje dvakrát.

CNC obrába všetko, čo môžete upevniť. Hliník, titán, Inconel, mosadz, plasty, kompozity, žiadne obmedzenia okrem obrobiteľnosti. Výber materiálu MIM závisí od zavedených zložení surovín. Nehrdzavejúce ocele tvoria 50 – 57 % celosvetovej produkcie MIM. 316L pre odolnosť proti korózii, 17 – 4 PH pre pevnosť, 420 pre opotrebenie. Nízkolegované ocele (4140, 4340, Fe-2Ni) pre tepelné spracovanie alebo magnetické vlastnosti. Nástrojové ocele M2 a H13 pre odolnosť proti opotrebeniu, hoci kontrola uhlíka počas spekania vyžaduje starostlivý vývoj procesu. Titán Ti-6Al-4V pre zdravotníctvo a letectvo, spekaný vo vákuu. Čo nefunguje: hliník, zliatiny medi, čisté kovy.

Využitie materiálu: CNC premení 20-50% vášho polotovaru na diely, zvyšok sa stanú trieskami. Komplexné diely môžu stratiť 70-80%. Využitie suroviny MIM je 95 – 97 % s recykláciou bežcov. V prípade titánu za 60 USD/kg sa na súčiastku opracovanú od 180 g polotovaru do 40 g povrchovej úpravy stratí 140 g materiálu, 8,40 USD v šrote predtým, než odrežete jediný čip. MIM vyrába túto časť z približne 42 g suroviny.

Keď to funguje

MIM vyhráva, keď máte komplexnú geometriu vyžadujúcu viacero CNC operácií. Vnútorné prvky, podrezanie, tenké steny, prvky, ktoré by potrebovali 5-osovú prácu alebo EDM. Časti, pri ktorých náklady na obrábanie dosahujú 25 – 50 USD/kus, sa v MIM často uvádzajú pod 5 USD/kus.

Program lopatiek turbodúchadla AFT: 180+ miliónov dielov vyrobených pre BMW, Ford, Tesla, Caterpillar. Profily nosných plôch držia ± 0,015 mm, tesnejšie ako štandardné MIM vďaka optimalizovanému nástroju a riadeniu procesu. 20 % zníženia nákladov v porovnaní s presným odlievaním pri objemoch automobilov. Zdokumentované na pim-international.com. Tento program si vyžadoval roky investícií do vývoja, nie niečo, čo replikujete na šesť-mesačnej časovej osi.

CNC víťazí na hliníkových a medených súčiastkach, vlastnostiach s tesnou{0}}toleranciou pod ±0,1 %, aplikácie vyžadujúce zvárateľnosť, programy vyžadujúce úplnú sledovateľnosť materiálu (letecký a kozmický priemysel, jadrová energia), súčiastky pod 5 000 ročným objemom a geometrie, ktoré efektívne obrábajú. Jednoduché sústružené diely na CNC sústruhoch nemusia nikdy ospravedlniť nástroje MIM bez ohľadu na objem.

Hybrid funguje, keď potrebujete ekonomiku MIM v komplexnej geometrii, ale má funkcie vyžadujúce presnosť CNC. MIM telo, stroj kritických otvorov.