Qual é a diferença entre CNC e MIM?

No último trimestre, uma empresa de dispositivos médicos nos enviou uma peça que ela vinha usinando há três anos. Suporte de aço inoxidável, 47 recursos, US$ 23 por peça, 60.000 unidades anuais. Eles queriam saber se o MIM poderia reduzir seus custos.

 

Executamos a análise. As ferramentas MIM custariam US$ 52.000. O custo-por peça cairia para US$ 4,20. Ponto de equilíbrio-de 2.766 unidades, para que eles recuperassem o investimento em ferramentas no primeiro mês de produção e economizassem US$ 1,1 milhão anualmente depois disso.

 

Eles não trocaram.

 

O suporte tinha dois furos que exigiam ±0,02 mm para ajuste-pressionado do rolamento. MIM em ± 0,3% nesses recursos de 18 mm daria ± 0,054 mm, quase três vezes mais solto. Poderíamos fazer MIM do corpo e CNC-acabar com os furos, mas essa abordagem híbrida custava US$ 7,80/peça. Ainda economiza dinheiro, mas não a redução dramática que desejavam.

Tolerância

É aqui que a maioria dos projetos MIM morre. Escalas de tolerância MIM como porcentagem, ±0,3% padrão, ±0,1% otimizada. Os engenheiros veem ±0,3% e pensam "apertado". Em pequenos recursos, é.

CNC mantém tolerância absoluta. MIM é dimensionado de acordo com o tamanho. Esse diâmetro de 50 mm é de ± 0,05 mm? O MIM não pode tocá-lo sem usinagem secundária.

Mas quando as tolerâncias funcionam, as poupanças são reais. O programa de instrumentos cirúrgicos da Spine Wave é o caso que mais referenciamos porque os números são públicos e a história está completa. Eles chegaram ao fornecedor MIM com um componente de trava de remessa para o dispositivo de fusão espinhal Velocity®. A peça era usinada a US$ 18/peça, o que não era exorbitante para um componente médico, mas eles precisavam de 75 mil unidades por ano. Gasto anual com usinagem: US$ 1,35 milhão.

A avaliação do MIM durou quatro meses. O ferramental custou US$ 38.000. Os primeiros artigos exigiram dois ajustes no ciclo de sinterização para atingir as especificações dimensionais. O custo-por peça chegou a US$ 2,80. Total do primeiro ano: US$ 248.000, incluindo amortização de ferramentas. Eles economizaram mais de um milhão de dólares no primeiro ano. No terceiro ano, as poupanças acumuladas ultrapassaram os 3,2 milhões de dólares.

Processo

MIM é uma sequência de transformações. Pó metálico, de 2 a 20 mícrons de diâmetro, é misturado com ligante termoplástico em aproximadamente 60% de pó a 40% de ligante por volume. A mistura se comporta como plástico durante a injeção. Ele flui para as cavidades do molde e se solidifica em “partes verdes” que parecem corretas, mas não possuem integridade estrutural.

A parte verde passa por desligação, decomposição térmica ou extração por solvente, para retirada do polímero. O que resta é uma “parte marrom”: pó metálico mantido unido por fricção e aglutinante residual. Frágil o suficiente para desmoronar se você manuseá-lo da maneira errada.

A parte marrom entra em um forno de sinterização operando a 85-95% do ponto de fusão da liga. Durante 15-20 horas, a difusão no estado sólido une as partículas de pó. A peça encolhe 15-20% em todas as dimensões à medida que a porosidade diminui e a densidade aumenta. Uma peça moldada em 60mm sai da sinterização em 48-51mm.

O encolhimento é previsível em conjunto, mas não perfeitamente uniforme. A gravidade afeta as peças de maneira diferente dependendo da orientação do forno. A distribuição em massa influencia as taxas de encolhimento locais. A variação da espessura da parede cria um encolhimento diferencial que deforma as peças.

Vimos peças saírem da sinterização dimensionalmente corretas e peças do mesmo molde saírem torcidas porque alguém carregou a bandeja do forno de forma errada. Esse tipo de coisa acontece mais do que os fornecedores gostam de admitir. O desenvolvimento de acessórios de sinterização, suportes que mantêm a geometria da peça durante o ciclo térmico de horas{2}}de duração, é um trabalho de engenharia, não uma mercadoria. Fornecedores sem experiência em peças geometricamente semelhantes irão iterar nos projetos de acessórios às suas custas.

As falhas

O controle da atmosfera no forno de sinterização determina se o seu material realmente funciona de acordo com as especificações. Os aços inoxidáveis ​​precisam de atmosfera de hidrogênio ou vácuo. A atmosfera errada, ou a contaminação atmosférica de um forno sujo, faz com que o cromo migre para longe da superfície. As peças parecem boas. Dimensões confira. Mas a resistência à corrosão é destruída porque o cromo superficial se esgota. Rejeitamos peças MIM recebidas de outros fornecedores que passaram na inspeção dimensional, mas falharam no teste de névoa salina em menos de 100 horas.

As peças MIM retêm 1-4% de porosidade. Esses vazios retêm qualquer contaminação existente em seu ambiente: líquido refrigerante de usinagem, óleo de corte, umidade atmosférica.

Tivemos um cliente há dois anos que especificou MIM em suportes estruturais para redução de custos. A produção correu bem durante oito meses. Em seguida, a equipe de serviço de campo tentou soldar um suporte durante o reparo do equipamento.

A solda falhou. Repetidamente.

A contaminação retida que vaporizava através da poça de fusão criava porosidade e inclusões que destruíam a integridade da junta. Eles tiveram que qualificar um novo fornecedor CNC para peças de reposição. A “economia de custos” do MIM transformou-se em custos de aquisição emergenciais, atrasos no serviço de campo e um problema de relacionamento com o cliente.

Se suas peças precisarem de soldagem, para montagem, reparo ou modificação em campo, o MIM será desqualificado.

A fadiga é outra coisa sobre a qual recebemos perguntas. Máquinas de barras forjadas com 100% de densidade e estrutura de grãos consistente. MIM sinteriza com densidade de 96-99% com microporosidade distribuída. A resistência estática é equivalente. Testamos peças MIM 17-4PH em relação às especificações forjadas e elas correspondem em termos de tração, rendimento e dureza. 17-4PH H900 funciona com 1070-1190 MPa UTS, rendimento de 970-1090 MPa, 35-40 HRC. 316L atinge 520 MPa no mínimo com excelente resistência à corrosão quando a atmosfera de sinterização é adequadamente controlada. Mas esses microporos atuam como concentradores de tensão sob carga cíclica. Para peças com ciclos de 10^7+, eixos giratórios, suportes carregados de vibração, qualquer coisa com problemas de ressonância, o material forjado supera o MIM. A prensagem isostática a quente pode fechar a porosidade e recuperar o desempenho de fadiga, mas isso acrescenta US$ 10-25 por peça.

Acabamento de superfície: MIM como{0}}sinterizado atinge Ra 0,8-1,6μm, mais suave que o CNC padrão em Ra 3,2μm. A densidade é de 96-99% ou 99%+ com HIP. Padrões, se necessário: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.

Volume

Fórmula-de ponto de equilíbrio: custo de ferramentas MIM dividido pela economia-por peça. Um molde de US$ 40.000 com economia de US$ 14/peça atinge o ponto de equilíbrio com 2.857 unidades. Acima desse volume, cada peça economiza US$ 14. Com um volume anual de 50.000, isso equivale a US$ 700.000 por ano.

Apenas cerca de metade dos moldes MIM que citamos entram em produção. As alterações de projeto após o início do ferramental custam de US$ 2.000 a 15.000 por modificação. Os programas que buscam a redução de custos antes da estabilidade do projeto acabam pagando duas vezes pelo ferramental.

Máquinas CNC qualquer coisa que você possa consertar. Alumínio, titânio, Inconel, latão, plásticos, compósitos, sem restrições além da usinabilidade. A seleção do material MIM depende das formulações de matéria-prima estabelecidas. Os aços inoxidáveis ​​representam 50-57% da produção global de MIM. 316L para resistência à corrosão, 17-4PH para resistência, 420 para desgaste. Aços de baixa liga (4140, 4340, Fe-2Ni) para tratamento térmico ou propriedades magnéticas. Aços ferramenta M2 e H13 para resistência ao desgaste, embora o controle do carbono durante a sinterização exija um desenvolvimento cuidadoso do processo. Titânio Ti-6Al-4V para uso médico e aeroespacial, sinterizado sob vácuo. O que não funciona: alumínio, ligas de cobre, metais puros.

Utilização de material: O CNC converte 20-50% do seu tarugo em peças, o restante vira chips. Peças complexas podem desperdiçar 70-80%. A utilização da matéria-prima MIM é de 95-97% com a reciclagem do corredor. Para titânio a US$ 60/kg, uma peça usinada de 180g de tarugo até 40g de acabamento desperdiça 140g de material, US$ 8,40 em sucata antes de você cortar um único cavaco. A MIM produz essa peça a partir de aproximadamente 42g de matéria-prima.

Quando funciona

O MIM vence quando você tem geometria complexa que exige múltiplas operações CNC. Recursos internos, recortes, paredes finas, recursos que precisariam de trabalho em 5 eixos ou EDM. Peças cujo custo de usinagem é de US$ 25-50/peça geralmente custam menos de US$ 5/peça no MIM.

Programa de palhetas do turboalimentador da AFT: 180+ milhões de peças produzidas para BMW, Ford, Tesla, Caterpillar. Perfis de aerofólio que suportam ±0,015 mm, mais apertados do que o MIM padrão por meio de ferramentas otimizadas e controle de processo. 20% de redução de custos em comparação com fundição de precisão em volumes automotivos. Documentado em pim-international.com. Esse programa exigiu anos de investimento em desenvolvimento, e não algo que você replicasse em um cronograma de seis{8}}meses.

O CNC vence em peças de alumínio e cobre, recursos de-tolerância restrita abaixo de ±0,1%, aplicações que exigem soldabilidade, programas que precisam de rastreabilidade total de materiais (aeroespacial, nuclear), peças com volume anual inferior a 5.000 e geometrias que usinam com eficiência. Peças torneadas simples em tornos CNC podem nunca justificar o uso de ferramentas MIM, independentemente do volume.

O híbrido funciona quando você precisa de economia MIM em geometria complexa, mas possui recursos que exigem precisão CNC. MIM o corpo, usine os furos críticos.