Quina diferència hi ha entre CNC i MIM?
El trimestre passat una empresa de dispositius mèdics ens va enviar una peça que portaven tres anys mecanitzant. Suport d'acer inoxidable, 47 funcions, 23 dòlars per peça, 60.000 unitats anuals. Volien saber si el MIM podria reduir el seu cost.
Hem fet l'anàlisi. L'eina MIM costaria 52.000 dòlars. El cost per-peça baixaria a 4,20 $. Punt d'equilibri-a 2.766 unitats, de manera que recuperarien la inversió en eines el primer mes de producció i estalviarien 1,1 milions de dòlars anuals després d'això.
No es van canviar.
El suport tenia dos forats que requerien ± 0,02 mm per ajustar-se a la premsa-de coixinets. MIM a ±0,3% en aquestes característiques de 18 mm donaria ±0,054 mm, gairebé tres vegades massa fluix. Podríem MIM el cos i CNC-acabar els forats, però aquest enfocament híbrid tenia un preu de 7,80 $/peça. Encara estalvia diners, però no la reducció espectacular que volien.
Tolerància
Aquí és on moren la majoria de projectes MIM. Escales de tolerància MIM com a percentatge, ±0,3% estàndard, ±0,1% optimitzat. Els enginyers veuen un ±0,3% i pensen "apret". En petites característiques, ho és.
| Característica | MIM ±0,3% | CNC |
|---|---|---|
| 10 mm | ± 0,03 mm | ±0,025 mm |
| 25 mm | ±0,075 mm | ±0,025 mm |
| 50 mm | ± 0,15 mm | ±0,025 mm |
El CNC té una tolerància absoluta. Escales MIM amb mida. Aquest forat de 50 mm a ± 0,05 mm? MIM no pot tocar-lo sense mecanitzat secundari.
Però quan les toleràncies funcionen, els estalvis són reals. El programa d'instruments quirúrgics de Spine Wave és el cas al qual fem referència més perquè els números són públics i la història està completa. Van arribar al seu proveïdor MIM amb un component de bloqueig d'enviament per al dispositiu de fusió espinal Velocity®. La peça es va mecanitzar a 18 dòlars per peça, no és indignant per a un component mèdic, però necessitaven 75.000 unitats per any. Despesa anual de mecanitzat: 1,35 milions de dòlars.
L'avaluació del MIM va durar quatre mesos. Les eines van costar 38.000 dòlars. Els primers articles van requerir dos ajustos del cicle de sinterització per assolir les especificacions dimensionals. El cost per-peça va arribar a 2,80 $. Total del primer any: 248.000 dòlars, inclosa l'amortització d'eines. Van estalviar més d'un milió de dòlars el primer any. El tercer any, els estalvis acumulats van superar els 3,2 milions de dòlars.
El comentari del seu enginyer de qualitat després de 18 mesos de producció: "Per a un enginyer de qualitat, no tenir res a informar és un aval rotund".
Sense errors de camp. Sense deriva dimensional. Sense problemes de qualitat dels proveïdors. El cas pràctic complet es publica a optimim.com. 85% de reducció de costos. No tots els programes aconsegueixen aquestes xifres, però un 50-70% d'estalvi en geometries complexes d'acer inoxidable per sobre de 20.000 volums anuals és el que comentem regularment.
Procés
El mecanitzat CNC és senzill. L'estoc de la barra s'instal·la a la màquina. Les eines de tall segueixen camins programats i eliminen material fins que es mantingui la geometria. Canvia el programa, aconsegueix diferents parts. Termini de lliurament dels primers articles: dies. Els canvis de disseny costen el temps de programació, no les eines.
MIM és una seqüència de transformacions. La pols metàl·lica, de 2 a 20 micres de diàmetre, es barreja amb un aglutinant termoplàstic a aproximadament un 60% de pols i un 40% d'aglutinant en volum. La mescla es comporta com un plàstic durant la injecció. Flueix a les cavitats del motlle i es solidifica en "parts verdes" que semblen correctes però no tenen integritat estructural.
La part verda passa per desenllaç, descomposició tèrmica o extracció amb dissolvent, per eliminar el polímer. El que queda és una "part marró": pols metàl·lica unida per fricció i lligant residual. Prou fràgil com per enfonsar-se si ho maneges malament.
La part marró entra en un forn de sinterització que funciona al 85-95% del punt de fusió de l'aliatge. Durant 15-20 hores, la difusió en estat sòlid uneix les partícules de pols. La peça es redueix un 15-20% en totes les dimensions a mesura que la porositat es col·lapsa i augmenta la densitat. Una peça modelada a 60 mm surt de la sinterització a 48-51 mm.
La contracció és previsible en conjunt però no perfectament uniforme. La gravetat afecta les peces de manera diferent segons l'orientació del forn. La distribució de massa influeix en les taxes de contracció locals. La variació del gruix de la paret crea una contracció diferencial que deforma les peces.
Hem vist que les peces surten de la sinterització correctament dimensionalment i les peces del mateix motlle surten retorçades perquè algú va carregar malament la safata del forn. Aquest tipus de coses succeeixen més del que els proveïdors volen admetre. El desenvolupament d'accessoris de sinterització, suports que subjecten la geometria de la peça durant les hores-durades del cicle tèrmic, és un treball d'enginyeria, no una mercaderia. Els proveïdors sense experiència en peces geomètricament similars repetiran els dissenys dels accessoris al vostre càrrec.
Els fracassos
Almenys dues vegades al mes algú ens envia una peça d'alumini demanant preus MIM. La resposta sempre és no. La pols d'alumini forma una capa d'òxid que no es trencarà durant la sinterització, les partícules no es poden unir. Els laboratoris d'investigació han demostrat el MIM d'alumini en condicions controlades. La producció comercial no existeix. Alumini significa CNC.
El control de l'atmosfera al forn de sinterització determina si el vostre material funciona realment segons les especificacions. Els acers inoxidables necessiten hidrogen o atmosfera de buit. Una atmosfera incorrecta, o la contaminació de l'atmosfera d'un forn brut, fa que el crom s'allunyi de la superfície. Les peces es veuen bé. Consulteu les dimensions. Però la resistència a la corrosió es destrueix perquè el crom superficial s'esgota. Hem rebutjat peces MIM entrants d'altres proveïdors que han superat la inspecció dimensional però que han fallat les proves d'esprai de sal en menys de 100 hores.
Les peces MIM conserven un 1-4% de porositat. Aquests buits atrapen qualsevol contaminació que hi hagi al vostre entorn: refrigerant de mecanitzat, oli de tall, humitat atmosfèrica.
Vam tenir un client fa dos anys que va especificar MIM sobre suports estructurals per reduir costos. La producció va funcionar sense problemes durant vuit mesos. Aleshores, el seu equip de servei de camp va intentar soldar un suport durant la reparació de l'equip.
La soldadura ha fallat. Repetidament.
La contaminació atrapada que es vaporitzava a través de la piscina de soldadura va crear porositat i inclusions que van destruir la integritat de la junta. Van haver de qualificar un nou proveïdor de CNC per a peces de recanvi. L'"estalvi de costos" de MIM es va convertir en costos d'adquisició d'emergència, retards en el servei de camp i un problema de relació amb el client.
Si alguna vegada les vostres peces necessiten soldadura, per a muntatge, reparació o modificació de camp, MIM està desqualificat.
La fatiga és una altra cosa sobre la qual ens fan preguntes. Màquines d'estoc de barres forjades al 100% de densitat amb estructura de gra consistent. MIM sinteritza fins al 96-99% de densitat amb microporositat distribuïda. La força estàtica és equivalent. Hem provat peces de 17-4PH MIM amb especificacions forjades i coincideixen amb la tracció, el rendiment i la duresa. 17-4PH H900 funciona 1070-1190 MPa UTS, 970-1090 MPa de rendiment, 35-40 HRC. 316L quan la resistència a la corrosió de 520 MPa és adequada amb un mínim de 520 MPa de resistència a la corrosió. controlat. Però aquests micropors actuen com a concentradors d'estrès sota càrrega cíclica. Per a peces que veuen 10^7+ cicles, eixos giratoris, suports carregats de vibracions, qualsevol cosa amb problemes de ressonància, el material forjat supera el MIM. La pressió isostàtica en calent pot tancar la porositat i recuperar el rendiment de la fatiga, però això afegeix 10-25 dòlars per part.
Acabat superficial: el MIM com-sinteritzat aconsegueix Ra 0,8-1,6 μm, més suau que el CNC estàndard a Ra 3,2 μm. La densitat és del 96-99%, o del 99% + amb HIP. Normes si les necessiteu: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.
Volum
| Volum Anual | Recomanació |
|---|---|
| Menys de 1.000 | CNC, la inversió en eines no té sentit |
| 1,000-5,000 | Normalment, el CNC, executa matemàtiques-parcials en peces complexes |
| 5,000-20,000 | Depèn de la geometria, val la pena calcular |
| Més de 20.000 | El MIM sol guanyar si les toleràncies funcionen |
Fórmula d'equilibri-: cost d'eines MIM dividit per l'estalvi per-peça. Un motlle de 40.000 dòlars amb un estalvi de 14 dòlars per peça es trenca fins a les 2.857 unitats. Per sobre d'aquest volum, cada part estalvia 14 dòlars. Amb un volum anual de 50.000, això són 700.000 dòlars anuals.
Només la meitat dels motlles MIM que comentem entren en producció. Els canvis de disseny després de començar les eines costen entre 2.000 i 15.000 dòlars per modificació. Els programes que persegueixen la reducció de costos abans de l'estabilitat del disseny acaben pagant per eines dues vegades.
Màquines CNC qualsevol cosa que pugueu fixar. Alumini, titani, Inconel, llautó, plàstics, compostos, sense restriccions més enllà de la mecanització. La selecció del material MIM depèn de les formulacions de matèries primeres establertes. Els acers inoxidables representen el 50-57% de la producció global de MIM. 316L per a la resistència a la corrosió, 17-4PH per a la resistència, 420 per al desgast. Acers de baix aliatge (4140, 4340, Fe-2Ni) per a tractament tèrmic o propietats magnètiques. Acers per a eines M2 i H13 per a la resistència al desgast, encara que el control del carboni durant la sinterització requereix un desenvolupament acurat del procés. Titani Ti-6Al-4V per a medicina i aeroespacial, sinteritzat al buit. El que no funciona: alumini, aliatges de coure, metalls purs.
Ús del material: CNC converteix el 20-50% de la seva palangana en peces, la resta es converteix en xips. Les peces complexes es poden malgastar entre un 70 i un 80%. La utilització de matèries primeres MIM funciona entre un 95 i un 97% amb el reciclatge de corredors. Per al titani a 60 $/kg, una peça mecanitzada des de 180 g de billets fins a un acabat de 40 g malgasta 140 g de material, 8,40 dòlars de ferralla abans de tallar un sol xip. MIM produeix aquesta part a partir d'aproximadament 42 g de matèria primera.
El nostre consell estàndard: prototip en CNC independentment de la intenció de producció. Valida l'ajust, la funció i la intenció del disseny. Bloqueja la geometria. A continuació, invertiu en eines MIM si el volum ho admet.
Quan Funciona
MIM guanya quan tens una geometria complexa que requereix múltiples operacions CNC. Característiques internes, retallades, parets primes, característiques que necessitarien treball en 5 eixos o EDM. Les peces on el cost de mecanitzat oscil·la entre 25 i 50 dòlars per peça sovint cotitzen menys de 5 dòlars per peça en MIM.
Programa de paletes de turbocompressor d'AFT: 180+ milions de peces produïdes per a BMW, Ford, Tesla i Caterpillar. Perfils aerodinàmics que aguanten ±0,015 mm, més ajustats que el MIM estàndard mitjançant eines optimitzades i control de procés. 20% de reducció de costos en comparació amb la fosa de precisió en volums d'automoció. Documentat a pim-international.com. Aquell programa va requerir anys d'inversió en desenvolupament, no una cosa que reproduïu en un període de sis-mesos.
El CNC guanya en peces d'alumini i coure, característiques de -tolerància ajustades per sota del ±0,1%, aplicacions que requereixen soldabilitat, programes que necessiten traçabilitat total del material (aeroespacial, nuclear), peces de menys de 5.000 volums anuals i geometries que mequin de manera eficient. Les peces tornejades simples en torns CNC mai poden justificar les eines MIM independentment del volum.
L'híbrid funciona quan necessiteu economia MIM en geometria complexa, però té característiques que requereixen precisió CNC. MIM el cos, mecanitza els forats crítics.
Envia'ns la teva part amb volum anual. Citarem els dos processos i farem l'anàlisi de l'equilibri-. Us direm quines funcions causen problemes de MIM i si la fabricació híbrida té sentit. No fem recomanacions de processos basades en allò que ens fa més diners. Els impulsem a partir de trenta anys de saber quins projectes tenen èxit i quins es converteixen en fugides de qualitat i problemes de clients. Un programa MIM fallit ens costa més temps d'enginyeria i danys a les relacions del que mai faríem amb l'eina. Si la vostra peça s'adapta a MIM i el vostre volum l'admet, us mostrarem números que semblen el cas Spine Wave, reducció de costos del 70-85%, producció fiable, qualitat que no requereix atenció constant. Si no encaixa, també us ho direm.