Яка різниця між CNC та MIM?

Минулого кварталу компанія, що займається медичним обладнанням, надіслала нам деталь, яку вони обробляли три роки. Кронштейн з нержавіючої сталі, 47 елементів, 23 долари за штуку, 60 000 одиниць на рік. Вони хотіли знати, чи зможе MIM скоротити свої витрати.

 

Ми провели аналіз. Інструменти MIM коштували б 52 000 доларів. Ціна за-штуку впаде до 4,20 доларів США. Беззбитковість-з 2766 одиницями, тож вони окуплять інвестиції в інструменти в перший місяць виробництва та заощадять 1,1 мільйона доларів США щороку після цього.

 

Вони не помінялися.

 

Кронштейн мав два отвори, які вимагали ±0,02 мм для пресування підшипника. MIM при ±0,3% на цих 18-міліметрових елементах дасть ±0,054 мм, що майже втричі занадто вільне. Ми могли б MIM кузов і CNC-завершити отвори, але цей гібридний підхід коштував 7,80 доларів США за штуку. Все ще економить гроші, але не так різко, як вони хотіли.

Толерантність

Саме тут гине більшість проектів MIM. Шкали допуску MIM у відсотках, стандарт ±0,3%, оптимізований ±0,1%. Інженери бачать ±0,3% і думають «туго». За дрібницями це так.

CNC має абсолютний допуск. MIM масштабується з розміром. Цей 50-міліметровий отвір на ±0,05 мм? MIM не може торкнутися його без вторинної обробки.

Але коли допуски працюють, економія реальна. Програма хірургічних інструментів Spine Wave — це випадок, про який ми найчастіше згадуємо, оскільки цифри є відкритими, а історія повна. Вони прийшли до свого постачальника MIM із компонентом блокування транспортування для апарату для спондилодезного спондилодезу Velocity®. Ціна деталі коштувала 18 доларів за штуку, що не надто страшно для медичного компоненту, але їм потрібно було 75 000 одиниць на рік. Річні витрати на обробку: $1,35 млн.

Оцінка MIM тривала чотири місяці. Інструмент коштував 38 000 доларів. Перші статті вимагали коригування двох циклів спікання, щоб досягти розмірних характеристик. Ціна за-штук досягла 2,80 доларів США. Загальна сума за перший рік: 248 000 доларів США, включаючи амортизацію інструментів. За перший рік вони заощадили понад мільйон доларів. До третього року сукупні заощадження перевищили 3,2 мільйона доларів.

процес

MIM — це послідовність перетворень. Металевий порошок діаметром від 2 до 20 мікрон змішується з термопластичним сполучним вмістом приблизно від 60% порошку до 40% сполучного за об’ємом. Під час впорскування суміш поводиться як пластик. Він тече в порожнини форми і твердне в «зелені частини», які виглядають правильно, але не мають структурної цілісності.

Для видалення полімеру зелена частина проходить процес видалення зв’язування, термічного розкладання або екстракції розчинником. Залишається «коричнева частина»: металевий порошок, який скріплюється тертям, і залишки сполучного. Досить крихкий, щоб розсипатися, якщо з ним поводитися неправильно.

Коричнева частина потрапляє в спікальну піч, яка працює при 85-95% температури плавлення сплаву. Протягом 15-20 годин твердотільна дифузія з’єднує частинки порошку. Деталь зменшується на 15-20% у всіх вимірах, оскільки пористість руйнується, а щільність збільшується. Деталь, відформована на 60 мм, виходить зі спікання на 48-51 мм.

Усадка передбачувана в сукупності, але не ідеально рівномірна. Сила тяжіння по-різному впливає на частини залежно від орієнтації печі. Масовий розподіл впливає на локальні швидкості усадки. Зміна товщини стінок створює диференційовану усадку, яка деформує деталі.

Ми бачили, як деталі після спікання виходили з правильними розмірами, а деталі з тієї самої форми виходили перекрученими, тому що хтось неправильно завантажив піддон печі. Подібне трапляється частіше, ніж хочуть визнавати постачальники. Розробка кріплень для спікання, опор, які зберігають геометрію деталей протягом годин-термічного циклу, є інженерною роботою, а не товаром. Постачальники, які не мають досвіду роботи з геометрично схожими деталями, перевірятимуть конструкції кріплень за ваш рахунок.

Невдачі

Контроль атмосфери в печі для спікання визначає, чи справді ваш матеріал відповідає специфікаціям. Для нержавіючої сталі потрібен водень або вакуум. Неправильна атмосфера або забруднення атмосфери від брудної печі спричиняє міграцію хрому з поверхні. Деталі виглядають добре. Перевірка розмірів. Але стійкість до корозії руйнується, оскільки поверхневий хром виснажується. Ми відхилили вхідні частини MIM від інших постачальників, які пройшли перевірку розмірів, але не пройшли випробування соляним туманом менш ніж за 100 годин.

Частини MIM зберігають 1-4% пористості. У цих порожнечах затримується будь-яке забруднення, яке існує у вашому оточенні: охолоджуюча рідина для обробки, олива, атмосферна волога.

Два роки тому у нас був клієнт, який вказав MIM на структурних кронштейнах для зниження витрат. Виробництво йшло без проблем протягом восьми місяців. Потім їхня виїзна служба намагалася приварити кронштейн під час ремонту обладнання.

Зварний шов вийшов з ладу. неодноразово

Уловлені забруднення, що випаровуються через зварювальну ванну, створюють пористість і вкраплення, які руйнують цілісність з’єднання. Їм потрібно було кваліфікувати нового постачальника ЧПК для заміни деталей. «Економія коштів» від MIM перетворилася на витрати на надзвичайні закупівлі, затримки обслуговування на місцях і проблеми з клієнтами.

Якщо ваші деталі коли-небудь знадобляться зварювання, для складання, ремонту чи модифікації в польових умовах, MIM дискваліфікується.

Втома – ще одна річ, про яку ми отримуємо запитання. Машини для кованого прутка зі 100% щільністю з однорідною зернистою структурою. MIM спікається до 96-99% щільності з розподіленою мікропористістю. Статична міцність еквівалентна. Ми перевірили деталі 17-4PH MIM на ковані характеристики, і вони відповідають міцності на розтяг, плинності та твердості. 17-4PH H900 має 1070-1190 МПа UTS, плинність 970-1090 МПа, 35-40 HRC. 316L досягає мінімум 520 МПа з чудовою корозійною стійкістю в атмосфері спікання належним чином контролюється. Але ці мікропори діють як концентратори напруги під час циклічного навантаження. Для деталей, які мають 10^7+ циклів, обертові вали, вібраційні кронштейни, будь-що, що має проблеми з резонансом, ковані матеріали перевершують MIM. Гаряче ізостатичне пресування може закрити пористість і відновити характеристики втоми, але це додає 10-25 доларів США за деталь.

Оздоблення поверхні: -спечений MIM досягає Ra 0,8-1,6 мкм, що є більш гладким, ніж стандартний CNC з Ra 3,2 мкм. Щільність становить 96-99%, або 99%+ з HIP. Стандарти, якщо вони вам потрібні: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.

Обсяг

Формула-беззбитковості: вартість інструменту MIM поділена на економію за-штук. Прес-форма вартістю 40 000 доларів США з економією 14 доларів за штуку беззбиткова при 2857 одиницях. Понад цей обсяг кожна частина економить 14 доларів. При річному обсязі 50 000 це становить 700 000 доларів на рік.

Лише близько половини форм MIM, які ми цитуємо, коли-небудь запускаються у виробництво. Зміни в конструкції після початку оснастки коштують 2000-15 000 доларів США за модифікацію. Програми, які прагнуть скорочення витрат, а не стабільності конструкції, зрештою платять за інструменти двічі.

Верстати з ЧПК обробляють все, що ви можете закріпити. Алюміній, титан, інконель, латунь, пластмаси, композити, жодних обмежень, крім оброблюваності. Вибір матеріалу MIM залежить від встановлених складів вихідної сировини. Нержавіюча сталь становить 50-57% світового виробництва MIM. 316L для стійкості до корозії, 17-4PH для міцності, 420 для зносу. Низьколеговані сталі (4140, 4340, Fe-2Ni) для термообробки або магнітних властивостей. Інструментальні сталі M2 і H13 для зносостійкості, хоча контроль вуглецю під час спікання вимагає ретельної розробки процесу. Титан Ti-6Al-4V для медицини та авіації, спечений під вакуумом. Що не підходить: алюміній, мідні сплави, чисті метали.

Використання матеріалу: ЧПУ перетворює 20-50% вашої заготовки на деталі, решта стає стружкою. Складні деталі можуть втратити 70-80%. Використання вихідної сировини MIM становить 95-97% з переробкою бігунів. Для титану за ціною 60 дол. США/кг деталь, оброблена від заготовки вагою 180 г до фінішної обробки 40 г, витрачає 140 г матеріалу, 8,40 дол. MIM виробляє цю частину з приблизно 42 г вихідної сировини.

Коли це працює

MIM виграє, якщо у вас є складна геометрія, яка вимагає кількох операцій ЧПК. Внутрішні деталі, підрізи, тонкі стінки, деталі, які потребують 5-осьової роботи або EDM. Частини, вартість обробки яких становить 25-50 доларів США за штуку, часто коштують нижче 5 доларів США за штуку в MIM.

Програма лопаток турбокомпресора AFT: 180+ мільйонів деталей, виготовлених для BMW, Ford, Tesla, Caterpillar. Профілі аеродинамічного профілю витримують ±0,015 мм, щільніше, ніж стандартний MIM завдяки оптимізованому інструментарію та контролю процесу. 20% зниження витрат порівняно з точним литтям у автомобільних обсягах. Задокументовано на pim-international.com. Ця програма вимагала років інвестицій у розробку, а не того, що ви відтворюєте протягом шести-місячного графіку.

ЧПК виграє в алюмінієвих і мідних деталях, жорстких-допусках нижче ±0,1%, програмах, які вимагають зварюваності, програмах, які потребують повного відстеження матеріалів (аерокосмічні, ядерні), деталях менше 5000 річних обсягів і геометріях, які обробляються ефективно. Прості точені деталі на токарних верстатах з ЧПК можуть ніколи не виправдати інструменти MIM, незалежно від обсягу.

Hybrid працює, коли вам потрібна економія MIM на складній геометрії, але є функції, які потребують точності ЧПК. MIM корпус, обробіть критичні отвори.