金属射出成形（MIM）：プロセス、機械、コスト、用途

金属射出成形（MIM）は、粉末冶金のニアネット成形技術であり、 プラスチック射出成形 業界。プラスチックの射出成形技術により、さまざまな複雑な形状の製品が低価格で生産できることはよく知られていますが、プラスチック製品は強度が低いという欠点があります。性能を向上させるために、金属またはセラミックの粉末をプラスチックに添加して、高強度で良好な耐摩耗性を備えた製品を得ることができます。

近年、このアイデアは、固体粒子の含有量を最大化し、結合剤を完全に除去し、その後の焼結プロセス中に形成されたビレットの密度を高めるために進化しました。この新しい粉末冶金成形法は金属射出成形と呼ばれます。

金属射出成形とは何ですか?

金属 射出成形複合成形技術としても知られる、液体またはガスの圧力下で金属材料を特定の金型に射出する処理技術です。加熱、冷却、成形といった一連の工程を経て、最終的には金型の設計図に従って各種の専用部品が製造されます。

さらに、金属射出成形は、微細な金属粉末をバインダー材料と混合して「原料」を作成し、その後射出成形を使用して固化することを指すこともあります。この成形プロセスでは、大量の複雑な部品を作成できます。成形後、コンポーネントは調整を受けてバインダーを除去し、粉末を緻密化します。完成した小型部品はさまざまな産業に応用できます。

目的

金属射出成形 (MIM) は、小型で複雑な金属部品を大量生産することを目的としています。この技術は機械加工の必要がなく、特に小型で複雑な部品を大量生産する場合、鍛造、鋳造、機械加工などの従来の方法よりもコスト効率が高いため好まれています。

なぜ金属射出成形を使用するのですか?

最先端の金属加工プロセスである金属射出成形 (MIM) は、長年にわたって人気が急上昇しています。1986 年にささやかに始まった MIM は、現在およそ 380 億 XNUMX 万ドルの市場規模にまで達し、多くのメーカーにとって好ましい選択肢としての地位を確立しました。この人気上昇の理由は数多くありますが、特に際立っているのは、その比類のない効率性とコスト効率の XNUMX つです。

MIM の効率性は、多数の小さな部品を同時に製造できる能力にあります。従来の金属加工プロセスとは異なり、MIM では、メーカーは 100 ショットあたり XNUMX グラム以下の量のみを金型の複数のキャビティに成形できます。つまり、XNUMX 回の成形サイクルで複数の製品を製造できるため、全体的な製造時間とアイテムあたりのコストが大幅に削減されます。

さらに、このプロセスでは柔軟性とカスタマイズ性が向上します。MIM で使用される原料はさまざまな金属で構成できますが、最も一般的なのはステンレス鋼です。この汎用性により、メーカーは特定の要件に合わせて、特定の特性と特徴を持つ製品を作成できます。

製品が成形されると、精製プロセスが続きます。金属粒子を結合するために使用された結合材は慎重に除去され、金属粒子は焼結プロセスを経て融合されます。この焼結ステップは、材料の強度と耐久性を高めるだけでなく、アイテムのサイズを約 15% 縮小します。この収縮は制御されたプロセスであり、最終製品が目的の仕様を満たすことが保証されます。

MIM のコスト効率の良さも、その人気の大きな要因です。複数の小さな部品を同時に製造することで、メーカーは規模の経済性を実現し、1 個あたりの総生産コストを削減できます。さらに、精製プロセスにより、機械加工、研削、研磨などの後処理ステップが不要になり、総コストがさらに削減されます。

金属射出成形プロセス

MIMの製造プロセスは一般的に、混合造粒、射出成形、脱脂、焼結、二次処理から構成されます。設備としては、混合・造粒一体機、MIM専用射出成形機、脱脂炉、焼結炉、各種検出・二次処理装置などを備えています。

1.金属粉末の準備

金属粉末射出成形では、原料粉末に対して、粉末形態、粒径、粒度組成、比表面積、ゆるみ密度などの高い要求が求められます。

金属粉末射出成形で使用される原料粉末には、主に水酸基法とアトマイズ法という2つの方法があります。金属粉末射出成形には非常に微細な原料粉末が必要となるため、金属粉末射出成形に対する要求は非常に高くなります。

2.バインダー

接着剤は金属射出成形 (MIM) 技術の中核です。 MIM では、接着剤には 2 つの基本的な機能があります。それは、射出成形に合わせて流動性を高めることと、ビレットの形状を維持することです。さらに、除去が容易、無公害、非毒性、およびリーズナブルなコストなどの特性も備えている必要があります。その結果、様々な種類の接着剤が登場し、近年では経験のみに基づいた選択から、脱脂方法やバインダーの機能などの要求に応える接着剤システムへと、ターゲットを絞ったアプローチで接着剤システムを設計する開発の方向性が徐々に変わってきています。

金属粉末射出成形におけるバインダーの要件には、粉末との接触角が小さく、接着力が強いこと、粉末との二相分離が起こらないこと、冷却後に一定の強度があること、脱脂時に深刻な損傷を引き起こさないことなどがある。 射出成形の欠陥 成形体の割れや気泡の発生を防ぐため、射出温度における純粋バインダーの粘度は0.1Pa・s未満にする必要があります。

3.混合

混合は、均一な原料を得るために金属粉末とバインダーを混合するプロセスです。原料粉末と結合剤を混合し、効果的に撹拌して均質化し、射出要件を満たすプロセス。飼料の性質が最終製品の性能を決定します。このプロセスステップは現在、経験の探求のレベルにとどまっており、混合プロセスの品質を評価するための重要な指標は、得られた飼料の均一性と一貫性です。

そのため、バインダーや粉体の添加方法や順序、混合温度、混合装置の特性など様々な要素が関与する混合工程が非常に重要となっており、最終的には製品の品​​質を評価する重要な指標となります。混合プロセスは、得られる飼料の均一性と一貫性を左右します。

金属射出成形 (MIM) に一般的に使用される混合装置には、二軸押出機、Z 型インペラミキサー、単軸押出機、プランジャー押出機、ダブルプラネタリーミキサー、ダブルカムミキサーなどが含まれます。これらの混合装置はすべて、以下の混合物の調製に適しています。粘度は1～1000Pa・sの範囲です。

4。射出成形

粉末射出成形プロセスにおいて、射出成形は、品質の高いグリーンビレットの生産を決定する重要なプロセスです。混合物は射出成形機内のスクリュー撹拌によって加熱され、可塑化された混合物は射出成形機の供給システムを通じて金型キャビティに射出され、冷却収縮を補うために圧力下に維持されます。

冷却および固化後、部品に十分な強度が得られたら、金型を開き、エジェクター ピンを使用して部品を押し出し、グリーン ボディを取得します。

5.脱脂

成形体は手動で定期的にセラミックプレート上に配置され、脱脂のために脱脂炉に入るのを待ちます。

すべての脱脂方法は脱脂工程から大きく 2 つに分類できます。1 つは 2 段階脱脂方法です。二段脱脂法には溶剤脱脂＋熱脱脂、サイフォン脱脂−熱脱脂などがあり、一段脱脂法は主に一段熱脱脂法であり、現在最も進んでいるのはアマエタモールド法である。

6.焼結

焼結は粉末冶金における重要なプロセスであり、金属粉末射出成形プロセスの最終ステップでもあります。

焼結により、金属粉末射出成形製品は完全な密度またはほぼ完全な密度を達成できます。焼結段階では、高密度の金属部品を得るために、表面亀裂を回避し、同じ寸法収縮率で部品の元の形状を維持するために、焼結温度の変化を制御する必要があります。

7.二次治療

焼結後、焼結部品には通常、一定のバリが生じます。バリの主要部分をレーザーで除去し、その後、残りの部分をサンドブラストなどで除去することができます。

サンドブラストは、高速の砂の流れの衝撃を利用してバリを除去し、表面を粗くする技術です。サンドブラストには一般的に銅鉱石、珪砂、ダイヤモンド砂、砂鉄、海南砂などが含まれます。サンドブラストは製品の表面にマットな効果をもたらすだけでなく、 バリ取り.

金属射出成形プロセスの所要時間

金属粉末から完成部品までの金属射出成形 (MIM) プロセス全体は、通常 24 ～ 36 時間かかります。この時間のほとんどは、熱による脱脂に充てられますが、このステップだけでも最大 24 時間かかります。XNUMX つの部品を製造するのに最大 XNUMX 日かかることもある直接レーザー金属焼結法と比較すると、MIM は大幅に高速です。この速度の利点により、MIM は大量生産に最適です。

人気の金属射出成形材料

金属射出成形 (MIM) は、さまざまな材料を使用して複雑な金属部品を作成できる、非常に汎用性の高いプロセスです。MIM で使用される最も一般的な材料をいくつか紹介します。

1. ステンレス鋼: ステンレス鋼は、耐腐食性、強度、耐久性に優れているため、MIM によく使用されます。医療機器、自動車部品、その他精密な金属部品が求められる用途で広く使用されています。
2. 低合金鋼これらの材料は優れた強度対重量比を備えており、航空宇宙部品など、軽量化が重要な用途でよく使用されます。
3. ニッケル基合金ニッケル合金は耐高温性と耐腐食性に優れていることで知られており、石油やガスの探査などの過酷な環境での用途に適しています。
4. チタン: チタンは軽量でありながら強度に優れた素材で、航空宇宙や医療用途でよく使用されています。また、生体適合性もあるため、インプラント型医療機器によく使用されています。
5. 工具鋼工具鋼は、高温でも硬度と耐摩耗性を維持するように設計されており、耐久性が不可欠な切削工具などの用途に適しています。
6. 銅系合金銅合金は熱と電気の優れた伝導体であるため、電気部品や熱交換器に適しています。
7. タングステンカーバイド: タングステンは硬くて耐摩耗性に優れた材料で、切削工具や摩耗部品によく使用されます。

MIM の材料の選択は、強度、耐腐食性、耐摩耗性、導電性など、特定のアプリケーションの要件によって異なります。メーカーは、これらの要件と MIM プロセスとの材料の互換性に基づいて、最も適切な材料を選択することがよくあります。

一般的な金属射出成形機

1. 射出成形機 – 金属粉末とバインダーの混合物を金型に注入するために使用されます。
2. 脱脂炉 – 成形品からバインダーを除去するために利用されます。
3. 焼結炉 – 剥離部分を加熱し、金属粒子を融合させるために使用されます。
4. 混合装置 – 金属粉末をバインダー材料と混合するために使用されます。
5. 金型クランプユニット – 射出成形プロセス中に金型がしっかりと保持されるようにします。
6. 温度制御ユニット – プロセス全体を通して正確な温度制御を維持します。
7. コンベヤシステム – プロセスのさまざまな段階間での部品の転送を容易にします。
8. 冷却システム – 射出成形および焼結工程後の部品の冷却に使用されます。
9. 品質検査機 – 部品の精度と完全性を確保するための座標測定機 (CMM) や X 線検査システムなどの機器。

これらの機械は金属射出成形プロセスで連携して動作し、高精度の金属部品を製造します。

金属射出成形のコスト

金属射出成形 (MIM) には、特定のプロジェクト要件に応じて変化するいくつかのコスト要因があります。バインダーと混合された金属粉末で構成される原料は、MIM では著しく高価で、24 キログラムあたり約 2 ドルかかります。これは、原料が 4 キログラムあたり約 XNUMX ～ XNUMX ドルかかる他の粉末冶金法とは対照的です。

MIM 機械への投資は、かなりの出費となります。金属射出成形機のコストは、機械の機能と仕様に応じて 50,000 ドルから 200,000 ドルの範囲です。さらに、ツールのコストも考慮すべき要素であり、通常は 30,000 ドルから 70,000 ドルの範囲です。

MIM 部品の全体的なコストには、サイズ、材質、製品の複雑さなど、いくつかの要因が影響します。これらの変数を考慮すると、1 ユニットあたりの価格は大きく変動しますが、多くの場合 5 ドルから XNUMX ドルの範囲になります。必要な部品の量や設計の複雑さなど、特定のプロジェクト要件は、最終的なコストを決定する上で重要な役割を果たします。

したがって、MIM は小型で複雑な部品を大量生産する場合にコスト面で有利ですが、原料、機械、工具への初期投資を慎重に検討する必要があります。

射出成形の利点は何ですか?

金属射出成形 (MIM) には複数の利点があり、主な利点の一部を以下に示します。

1.複雑さ

金属射出成形 (MIM) は形状設計にほとんど制限がないため、さまざまな独立した部品を組み合わせて非常に複雑で多機能な製品を作成するのに理想的な選択肢です。設計ルールは射出成形に似ており、ほぼすべての種類の製品がこの高度なプロセスの恩恵を受けることができます。

2.精度

金属射出成形により高精度が得られます。サイズのばらつきは通常 ± 0.1 の範囲内で、特性によっては ± 0.005 に達する場合もあります。この高レベルの精度により、金属射出成形は、高品質で精密なコンポーネントを追求するための好ましいプロセスとなっています。

3.重量と寸法

金属射出成形は、小型部品、特に重量が 80 グラム未満の部品の処理に特に優れており、最小範囲は 40 グラム未満です。金属射出成形では、新しい技術を採用することで部品の重量を軽減し、それによって原材料コストを可能な限り最小限に抑えます。

4.間伐

肉厚が 5 ミリメートル未満のコンポーネントの場合、金属射出成形が最適な選択です。もちろん、より厚い外壁も処理できますが、処理時間の増加と材料費の追加につながる可能性があります。

5.生産能力

金属射出成形は年間需要が数千個から数百万個の製品に適しており、経済的で効率的な生産を実現します。ただし、小ロットの製品の場合、顧客は金型や工具に投資する必要があり、コストに一定の影響を与える可能性があります。

6.複数の材料選択

金属射出成形は、多機能プロセスとして、合金鉄、超合金、チタン合金、銅合金などを含むさまざまな金属材料を処理できます。アルミニウムや銅などの非鉄合金も技術的には実現可能ですが、次のような他のより経済的な加工方法も使用できます。 ダイカスト or CNC加工 通常は選ばれます。

射出成形のデメリットは何ですか?

金属射出成形の欠点としては主に以下の点が挙げられます。

• 1.高コスト：金属 射出成形コスト 高いのは、より高い設備費と金型費、およびより高い原材料費が必要となり、結果的に生産コストが比較的高くなるためです。
• 2. プロセスの難易度が高い: 金属射出成形では、温度、圧力、時間などのプロセスパラメータを正確に制御する必要があります。そうしないと、充填不足、オーバーフロー、反りなどの問題が発生しやすくなり、プロセス要件が高くなります。
• 3. 適用範囲が限られている：金属射出成形は、小型で複雑な形状の金属部品の製造に適しています。大型または単純な金属部品の場合は、従来の金属加工方法の方が適している場合があります。

金属射出成形の応用

金属射出成形は、次のような高精度、形状、材料特性が必要な用途に適しています。

• 自動車製造業: 金属射出成形は、自動車のエンジン部品、トランスミッション部品、インテークマニホールドなどを製造することができます。これらの部品は、高精度、高強度、高温耐性が求められます。
• 医療機器業界: 金属射出成形は、歯科インプラントや外科器具などの医療機器の精密部品の製造に使用できます。これらの部品は、高精度、無毒、無菌特性を備えている必要があります。
• 航空宇宙分野: 金属射出成形は、航空機部品やロケットエンジン部品などの製造に使用されます。これらの部品は、高強度、高精度、軽量という特性が求められます。
• 電子製品業界: 金属射出成形は、携帯電話やタブレットなどの電子製品に使用される、カメラブラケットやアンテナなどの精密部品の製造に使用できます。これらの部品は、高精度かつ軽量であることが求められます。

金属射出成形とプラスチック射出成形の違いは何ですか?

金属射出成形とプラスチック射出成形は 2 つの異なるプロセスであり、それらの主な違いは使用される材料とプロセスにあります。

• 材料選択： 金属射出成形は、主にアルミニウム合金、マグネシウム合金、亜鉛合金、銅合金などの金属粉末または金属合金を使用し、高温高圧で射出成形によって加工されます。プラスチック射出成形では主にABS、PC、POM、PVCなどのさまざまなプラスチック材料が使用されます。
• 射出成形プロセス: 金属射出成形には通常、より高い射出圧力とより長い射出時間が必要なダイカスト技術が使用されます。一方、プラスチック射出成形は圧縮成形プロセスを採用しており、プロセス時間が短縮され、プロセス圧力が低くなります。
• 製品アプリケーション： 金属射出成形法で製造される部品は、高密度、高精度、高強度という特徴があり、複雑な形状の部品、特に機械加工やその他の加工方法では加工が難しい一部の部品の製造に適しています。プラスチック射出成形には幅広い用途があり、さまざまな形状やサイズの部品の製造に使用できます。

金属射出成形は試作に適していますか?

金属射出成形 (MIM) は、ツールのコストが高く、経済的に現実的ではないため、一般に試作には適していません。試作には、金属バインダー ジェッティングや直接金属レーザー焼結 (DMLS) などの方法の方が適しています。これらの技術は、量産グレードの材料を使用し、試作が最終製品の特性と性能を厳密に模倣することを保証するため、試作に最適です。

金属射出成形の精度

金属射出成形 (MIM) は高精度で知られており、寸法公差は +/- 0.3% ～ 0.5%、つまり 0.01 ～ 0.001 mm です。この精度レベルは、寸法や表面仕上げの要件を満たすために後工程での機械加工が必要となることが多いダイカストなどの他の製造方法を上回っています。ただし、MIM の精度は、部品のサイズや使用する金属粉末によって左右されることがあります。部品が大きいほど焼結中に収縮する傾向があり、ばらつきが大きくなります。さらに、金属粒子が大きいと収縮が大きくなり、最終製品の全体的な精度に影響します。

金属射出成形とダイカストの違い

機能	金属射出成形（MIM）	ダイカスト
材料	バインダーと混合した金属粉末	溶融金属
プロセス	射出成形、脱脂、焼結	金型への高圧注入
正確さ	+/- 0.3～0.5% (0.01～0.001 mm)	精度を保つために後工程の加工が必要
ツーリングコスト	ハイ	中〜高
生産量	大量生産に適しています	中規模から大規模のボリュームに適しています
パーツの複雑さ	複雑な形状に最適	良いが、限界がある
サイズ制限	小型から中型の部品に最適	大型部品を扱える
表面仕上げ	全体的に滑らかで、仕上げはほとんど必要ありません	様々で、追加の仕上げが必要な場合が多い
材料範囲	幅広い金属合金	一般的にはアルミニウム、亜鉛などの非鉄金属
生産速度	穏健派	ハイ
プロトタイプの適合性	プロトタイプ作成には費用対効果が低い	プロトタイプ作成がより実現可能
収縮	焼結中に管理される重要な	最小限、冷却中に管理
アプリケーション	自動車、航空宇宙、医療、エレクトロニクス	自動車、消費財、電子機器

まとめ：

全体として、金属射出成形技術は、その柔軟性、高精度、経済性、およびさまざまな金属材料への適合性により、今日の製造業で非常に好まれている高度な製造技術の 1 つとなっています。このプロセスを最大限に活用することで、メーカーはより複雑、正確、かつ経済的な金属部品の生産を実現でき、製品設計と製造における継続的な革新と開発を推進できます。

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