В чем разница между ЧПУ и MIM?

В прошлом квартале компания по производству медицинского оборудования прислала нам деталь, которую они обрабатывали три года. Кронштейн из нержавеющей стали, 47 функций, 23 доллара США за штуку, 60 000 единиц в год. Они хотели знать, сможет ли MIM сократить их расходы.

 

Мы провели анализ. Инструменты MIM будут стоить 52 000 долларов. Стоимость за-штук упадет до 4,20 доллара США. Выйти на уровень безубыточности-при выпуске 2766 единиц, что позволит окупить вложения в инструменты в первый месяц производства и в дальнейшем экономить 1,1 миллиона долларов США ежегодно.

 

Они не переключились.

 

В кронштейне было два отверстия, требующих ±0,02 мм для запрессовки подшипника-. MIM при ±0,3% на этих 18-миллиметровых элементах даст ±0,054 мм, что почти в три раза больше люфта. Мы могли бы MIM корпус и ЧПУ-обработать отверстия, но этот гибридный подход стоил бы 7,80 долларов за штуку. По-прежнему экономит деньги, но не так сильно, как хотелось.

Толерантность

Именно здесь умирает большинство проектов MIM. Допуски MIM масштабируются в процентах, стандартно ±0,3%, оптимизировано ±0,1%. Инженеры видят ±0,3% и думают «туго». По мелким функциям это так.

ЧПУ придерживается абсолютной толерантности. MIM масштабируется в зависимости от размера. Это отверстие диаметром 50 мм с точностью ±0,05 мм? MIM не может справиться с этим без вторичной обработки.

Но когда допуски достигаются, экономия становится реальной. Программа хирургических инструментов Spine Wave — это тот случай, на который мы ссылаемся чаще всего, потому что цифры общедоступны и история полная. Они пришли к своему поставщику MIM с компонентом транспортировочного замка для устройства спондилодеза Velocity®. Деталь обрабатывалась по цене 18 долларов за штуку, что не так уж и много для медицинского компонента, но им требовалось 75 000 единиц в год. Ежегодные затраты на механическую обработку: 1,35 миллиона долларов.

Оценка MIM заняла четыре месяца. Стоимость инструмента составляет 38 000 долларов. Первые изделия требовали двух корректировок цикла спекания для достижения требуемых размеров. Стоимость за-штук составила 2,80 доллара. Общая сумма за первый год: 248 000 долларов США, включая амортизацию инструментов. За первый год они сэкономили более миллиона долларов. К третьему году совокупная экономия превысила 3,2 миллиона долларов.

Процесс

MIM — это последовательность преобразований. Металлический порошок диаметром от 2 до 20 микрон смешивается с термопластичным связующим в соотношении примерно 60% порошка на 40% связующего по объему. Смесь ведет себя как пластик во время инъекции. Он течет в полости формы и затвердевает, образуя «зеленые детали», которые выглядят правильно, но не имеют структурной целостности.

Необработанная часть подвергается удалению связующего, термическому разложению или экстракции растворителем для удаления полимера. Остается «коричневая часть»: металлический порошок, скрепленный трением и остатками связующего. Достаточно хрупкий, чтобы рассыпаться, если с ним неправильно обращаться.

Коричневая часть поступает в печь для спекания, работающую при температуре плавления 85-95 % от температуры плавления сплава. В течение 15-20 часов твердофазная диффузия связывает частицы порошка. Деталь дает усадку на 15-20% по всем размерам по мере разрушения пористости и увеличения плотности. Деталь, отлитая на 60 мм, выходит из спекания на 48-51 мм.

Усадка в совокупности предсказуема, но не идеально равномерна. Гравитация влияет на детали по-разному в зависимости от ориентации печи. Массовое распределение влияет на локальные темпы усадки. Изменение толщины стенок приводит к дифференциальной усадке, которая деформирует детали.

Мы видели, как детали выходят из спекания с правильными размерами, а детали из одной и той же формы выходят искривленными из-за того, что кто-то неправильно загрузил поддон печи. Подобные вещи случаются чаще, чем поставщики любят признавать. Разработка приспособлений для спекания, опор, которые сохраняют геометрию детали в течение многочасового-термического цикла, — это инженерная работа, а не товар. Поставщики, не имеющие опыта работы с геометрически схожими деталями, будут разрабатывать конструкции приспособлений за ваш счет.

Неудачи

Контроль атмосферы в печи для спекания определяет, соответствует ли ваш материал техническим характеристикам. Нержавеющие стали нуждаются в атмосфере водорода или вакуума. Неправильная атмосфера или загрязнение атмосферы грязной печью приводит к миграции хрома с поверхности. Детали выглядят нормально. Размеры уточняйте. Но коррозионная стойкость разрушается, поскольку поверхностный хром обедняется. Мы отклоняем поступающие детали MIM от других поставщиков, которые прошли проверку размеров, но не прошли испытание солевым туманом менее чем за 100 часов.

Детали MIM сохраняют пористость 1-4%. Эти пустоты улавливают любые загрязнения, существующие в вашей среде: СОЖ, смазочно-охлаждающую жидкость, атмосферную влагу.

Два года назад у нас был клиент, который выбрал MIM для структурных кронштейнов для снижения затрат. Производство работало бесперебойно в течение восьми месяцев. Потом их выездная сервисная бригада попыталась приварить кронштейн во время ремонта оборудования.

Сварка не удалась. Неоднократно.

Захваченные загрязнения, испаряющиеся через сварочную ванну, создают пористость и включения, которые нарушают целостность соединения. Им пришлось аттестовать нового поставщика ЧПУ на наличие запасных частей. «Экономия средств» от MIM обернулась расходами на экстренные закупки, задержками в обслуживании и проблемами взаимоотношений с клиентами.

Если вашим деталям может потребоваться сварка для сборки, ремонта или модификации на месте, компания MIM дисквалифицируется.

Усталость – еще одна вещь, о которой мы получаем вопросы. Машины для изготовления кованых прутков со 100% плотностью и однородной зернистой структурой. МИМ спекается до плотности 96-99% с распределенной микропористостью. Статическая прочность эквивалентна. Мы протестировали детали из стали 17-4PH MIM на соответствие характеристикам деформируемых изделий, и они соответствуют характеристикам на растяжение, текучесть и твердость.. 17-4PH H900 работает с пределом прочности 1070–1190 МПа, предел текучести 970–1090 МПа, твердость по шкале Роквелла 35–40.. 316L достигает минимум 520 МПа с превосходной коррозионной стойкостью при правильном контроле атмосферы спекания. Но эти микропоры действуют как концентраторы напряжений при циклических нагрузках. Для деталей, выдерживающих 10^7+ циклов, вращающихся валов, вибронагруженных кронштейнов и всего, что связано с резонансом, деформируемый материал превосходит MIM. Горячее изостатическое прессование может закрыть пористость и восстановить усталостные характеристики, но это добавляет 10-25 долларов за деталь.

Чистота поверхности: MIM в виде-спеченного спекания обеспечивает Ra 0,8–1,6 мкм, более гладкая, чем стандартная обработка с ЧПУ при Ra 3,2 мкм. Плотность составляет 96-99% или 99%+ с HIP. Стандарты, если они вам нужны: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.

Объем

Формула-безубыточности: стоимость инструмента MIM, разделенная на-экономию на единицу. Пресс-форма стоимостью 40 000 долларов США с экономией 14 долларов США на штуку выходит на уровень безубыточности при объеме 2857 единиц. При превышении этого объема каждая деталь экономит 14 долларов. При годовом объеме 50 000 это 700 000 долларов в год.

Только около половины пресс-форм MIM, которые мы цитируем, когда-либо поступают в производство. Изменения конструкции после запуска оснастки стоят 2000–15 000 долларов за модификацию. Программы, которые гонятся за снижением затрат, а не за стабильностью конструкции, в конечном итоге платят за инструменты дважды.

Станки с ЧПУ делают все, что можно закрепить. Алюминий, титан, инконель, латунь, пластмассы, композиты — никаких ограничений, кроме обрабатываемости. Выбор материала MIM зависит от установленного состава сырья. Нержавеющие стали составляют 50–57 % мирового производства MIM.. 316L по коррозионной стойкости, 17-4PH по прочности, 420 по износостойкости. Низколегированные стали (4140, 4340, Fe-2Ni) для термообработки или магнитных свойств. Инструментальные стали M2 и H13 обладают износостойкостью, хотя контроль содержания углерода во время спекания требует тщательной разработки процесса. Титан Ti-6Al-4V для медицины и аэрокосмической промышленности, спеченный в вакууме. Что не работает: алюминий, медные сплавы, чистые металлы.

Использование материала: ЧПУ преобразует 20-50% заготовки в детали, остальное становится стружкой. Сложные детали могут быть потрачены впустую на 70-80%. Утилизация сырья МИМ составляет 95-97% при переработке бегунов. Для титана по цене 60 долларов за кг на деталь, обработанную от заготовки весом 180 г до 40 г, тратится 140 г материала, а это 8,40 доллара в виде лома, прежде чем вы нарежете одну стружку. MIM производит эту часть примерно из 42 г сырья.

Когда это работает

MIM выигрывает, когда у вас сложная геометрия, требующая нескольких операций с ЧПУ. Внутренние элементы, подрезы, тонкие стенки, элементы, которые потребуют 5-осевой обработки или электроэрозионной обработки. Детали, стоимость обработки которых составляет 25-50 долларов за штуку, часто оцениваются в MIM менее 5 долларов за штуку.

Программа лопаток турбокомпрессора AFT: произведено 180+ миллионов деталей для BMW, Ford, Tesla, Caterpillar. Профили аэродинамических профилей выдерживают ±0,015 мм, что более плотно, чем стандартные MIM, благодаря оптимизированному оснащению и контролю процесса.. 20% снижение затрат по сравнению с прецизионным литьем в объемах автомобилестроения. Документировано на pim-international.com. Эта программа потребовала многолетних инвестиций в разработку, а не то, что можно повторить за шесть-месячных сроков.

ЧПУ выигрывает в производстве деталей из алюминия и меди, жестких-допусков ниже ±0,1 %, приложений, требующих свариваемости, программ, требующих полной прослеживаемости материалов (аэрокосмическая, атомная промышленность), деталей объемом менее 5000 штук в год и геометрий, которые эффективно обрабатываются. Простые детали, выточенные на токарных станках с ЧПУ, никогда не оправдают использование инструментов MIM, независимо от объема.

Гибрид работает, когда вам нужна экономика MIM для сложной геометрии, но есть функции, требующие точности ЧПУ. МИМ кузова, обработка критических отверстий.