Negli ultimi anni, la tendenza alla crescita dell’industria del PIM è stata molto forte. L’indagine di mercato e l’analisi previsionale di BCCResearch sul settore MIM mostrano che il mercato mondiale dei prodotti MIM valeva 382 milioni di dollari nel 2004 e dovrebbe raggiungere i 571 milioni di dollari nel 2009, con un tasso medio di crescita annuo dell’8,4%.
1.2 Continua espansione del campo di applicazione dello stampaggio a iniezione delle polveri Il processo PIM è adatto alla produzione in serie di piccoli componenti metallici, ceramici o in carburo con forme complesse. Con lo sviluppo e la graduale maturazione della tecnologia PIM, il suo campo di applicazione è in continua espansione e non è più limitato a componenti per orologi, componenti elettromeccanici, apparecchiature medicali e componenti per armi leggere. La diffusione e l’applicazione industriale del PIM devono essere combinate con le caratteristiche del processo, affinché esso presenti un’evidente adeguatezza tecnica rispetto a processi quali sinterizzazione pressofusa, fusione di precisione e lavorazione meccanica. 1) Produzione in serie di prodotti complessi Rispetto alla sinterizzazione pressofusa tradizionale, il processo MIM è adatto alla fabbricazione di componenti metallici complessi. Un sondaggio di Sandvik Osprey sulle prospettive del mercato MIM mostra che, tra i settori automobilistico, aerospaziale, delle apparecchiature medicali, delle comunicazioni elettroniche, dei beni di consumo e altri ambiti industriali, l’81% degli intervistati ritiene che l’industria automobilistica sarà il settore a crescita più rapida nel mercato dei prodotti MIM, mentre il 19% ritiene che sarà il settore delle apparecchiature medicali. Pertanto, i componenti automobilistici MIM realizzati in acciaio inossidabile, acciaio basso legato Fe-Ni, leghe a base di Ni e leghe madri, nonché le apparecchiature medicali MIM realizzate in acciaio inossidabile, CoCrMo (F75) e leghe di titanio, saranno i principali punti di crescita del futuro mercato MIM. Nel settore dell’elettronica e degli elettrodomestici, il MIM è stato utilizzato per fabbricare prodotti dalle forme sempre più complesse. La capacità di dissipazione termica del radiatore per LCD prodotto dall’ARC Seibersdorf Research Center in Austria mediante la tecnologia di stampaggio a iniezione delle polveri di rame è quattro volte superiore a quella del prodotto originale ottenuto per pressofusione in materiale G-AlSi. Anche Fotec, in Austria, utilizza la tecnologia di stampaggio a iniezione delle polveri di rame per fabbricare dissipatori per chip dalle forme estremamente complesse.
2) Formatura di prodotti complessi in materiali difficili da lavorare e refrattari. Il PIM offre ampie prospettive per la formatura di prodotti complessi in materiali quali carburo cementato WC-Co, tungsteno e leghe di tungsteno, renio e ceramiche di allumina. Il Centro nazionale francese per l’energia atomica (CEA) utilizza la tecnologia PIM per fabbricare nuovi scambiatori di calore in micro-allumina. Il Forschungszentrum Karlsruhe in Germania e l’ARC Seibersdorf Research Center in Austria hanno entrambi utilizzato lo stampaggio a iniezione del tungsteno puro per fabbricare deviatori per reattori nucleari. Allo stesso tempo, il primo dei due ha sviluppato anche feedstock per stampaggio a iniezione in leghe W1La, W-Ni-Fe e WCu, destinati potenzialmente all’impiego in scudi termici, microelettronica e industria automobilistica. Powdermet, negli Stati Uniti, ha sviluppato il processo di stampaggio a iniezione di metalli refrattari quali renio, WC-Co e WC-Cr3C2-Co, utilizzato per fabbricare componenti come gabbie per sfere, corpi valvola e anelli.
3) Formatura di prodotti in materiali personalizzati. Il processo PIM presenta i vantaggi della metallurgia delle polveri. Il personale addetto al processo può progettare la composizione dei materiali in base alle esigenze del prodotto. Questa caratteristica amplia il campo di applicazione del PIM e offre vantaggi evidenti rispetto a processi quali la fusione di precisione e la lavorazione meccanica. L’istituto di ricerca guidato dal professor German R M dell’Università del Mississippi studia il processo di stampaggio a iniezione di materiali compositi a base di alluminio e di polveri di pseudo-leghe nano W-Cu. D’altra parte, anche la tecnologia di co-iniezione ha iniziato a essere applicata al settore MIM. L’Istituto Fraunhofer IFAM in Germania utilizza questo metodo per fabbricare microcomponenti 17PH/316L e 316L/Fe con proprietà fisiche differenti nelle diverse parti. I diversi materiali della co-iniezione vengono collegati durante il processo di sinterizzazione per formare un insieme, mentre la tecnologia MIM di assemblaggio nello stampo (Assembly moulding) sfrutta l’incompatibilità dei materiali durante il processo di sinterizzazione per formare e assemblare i componenti già durante la fase di iniezione. Questa tecnologia deriva dalla tecnologia di stampaggio a iniezione per assemblaggio. Arburg ha utilizzato questo metodo nel MIM per produrre cerniere mediante assemblaggio per iniezione nello stampo e co-sinterizzazione di polvere sferoidizzata 17-4PH e polvere di lega madre 17-4PH.
I requisiti di processo del μ-PIM, una tecnologia correlata allo stampaggio a microiniezione delle polveri, sono più elevati rispetto a quelli del PIM ordinario, come dimostrato dai suoi diversi passaggi produttivi. La dimensione delle polveri utilizzate nel μ-PIM è generalmente un ordine di grandezza inferiore alla dimensione interna minima del componente formato. Per i materiali metallici è generalmente inferiore a 5μm. Per i materiali ceramici è generalmente inferiore a 0,5μm. L’uso di polveri fini favorisce la precisione, la qualità superficiale e il mantenimento della forma del prodotto durante il processo di rimozione del legante, ma aumenta anche il costo della polvere. Il legante utilizzato nel μ-PIM deve essere sufficientemente fluido da facilitare il riempimento delle microcavità durante il processo di iniezione. Allo stesso tempo, il legante deve garantire che il pezzo grezzo dopo lo stampaggio a iniezione abbia una resistenza sufficiente, affinché le sue minuscole caratteristiche non vengano danneggiate o deformate durante l’estrazione dallo stampo e le operazioni successive. Poiché la polvere è molto fine, lo spazio tra la polvere e il legante si riduce e la difficoltà di miscelazione aumenta di conseguenza. La miscela di alimentazione deve avere un contenuto di polvere adeguato. Se la polvere è eccessiva, il legante non riuscirà a infiltrarsi su tutte le superfici delle particelle, rendendo difficile il riempimento dello stampo; se il legante è eccessivo, la viscosità della miscela diminuirà e la polvere e il legante si separeranno durante il processo di iniezione, provocando una densità non uniforme del pezzo grezzo formato. Pertanto, il μ-PIM deve utilizzare una miscela omogenea con un contenuto di polvere adeguato.
La macchina per lo stampaggio a microiniezione utilizzata nel μ-PIM è caratterizzata da un’elevata velocità di iniezione, dalla misurazione accurata del volume di iniezione e dalla rapida risposta del servodispositivo. Attualmente, le macchine per lo stampaggio a microiniezione utilizzate dall’industria e dagli istituti di ricerca coinvolti nel μ-PIM sono principalmente i modelli della serie Battenfeld Microsystem 50, Arburg Allrounder e Ferromatik Milacron. Gli stampi per iniezione utilizzati nel μ-PIM possono essere lavorati mediante LIGA, UV-LIGA, ablazione laser, micro-elettroerosione, prototipazione rapida e altri metodi. I diversi metodi di lavorazione hanno differenti intervalli operativi, livelli di precisione ed economicità. La resistenza all’usura dello stampo è una questione importante per il μ-PIM. Il Centro di ricerca di Karlsruhe in Germania ha studiato la resistenza all’usura di anime per stampi realizzate in acciaio basso legato, acciaio alto legato, carburo cementato, nichel e altri materiali. L’usura dell’anima è correlata al materiale della polvere e al legante. I test mostrano che la corrosione è il principale meccanismo di usura. Migliorare la microomogeneità del materiale dello stampo favorisce la resistenza all’usura, ma non è ancora stata individuata una relazione diretta tra la durezza del materiale dello stampo e la resistenza all’usura. Nel processo di iniezione del μ-PIM, i parametri di processo quali temperatura dello stampo, temperatura della miscela, velocità di estrazione dallo stampo, pressione di iniezione, velocità, tempo e altri devono essere controllati adeguatamente. È molto necessario utilizzare la simulazione numerica per ottimizzare lo stampo per lo stampaggio a iniezione e i parametri di processo. Durante l’estrazione dallo stampo dei componenti μ-PIM, i componenti possono staccarsi parzialmente nella cavità dello stampo, influenzandone direttamente la precisione. Per garantire la riproducibilità dei componenti durante la produzione in serie, Battenfeld ha progettato un sistema di monitoraggio visivo per osservare l’integrità dei componenti dopo l’estrazione dallo stampo e verificare se vi siano componenti staccati nella cavità dello stampo.
Per il μ-PIM, la riduzione delle dimensioni dei componenti diminuisce il tempo necessario per la rimozione del legante, ma le particelle di polvere fine aumentano il tempo necessario per tale processo. Quando per il μ-PIM vengono utilizzati leganti a base di paraffina, è necessario migliorare il mantenimento della forma e la resistenza dei pezzi grezzi durante la rimozione del legante. Gli studi hanno dimostrato che i leganti μ-PIM composti dai polimeri PAN, EVA e HDPE offrono risultati migliori nel processo di rimozione del legante. La polvere utilizzata nel μ-PIM è più fine di quella del PIM ordinario, riducendo così la temperatura necessaria per la sinterizzazione. Durante il processo di sinterizzazione è necessario controllare gli effetti della crescita dei grani, dell’ossidazione e della sferoidizzazione.
La ricerca e l’applicazione della tecnologia PIM si stanno sviluppando rapidamente e sfruttano appieno le proprie caratteristiche e i propri vantaggi. Il μ-PIM e lo stampaggio a iniezione dei metalli leggeri hanno ampie prospettive di sviluppo e sono temi di ricerca di grande interesse nel campo del PIM. L’uso della simulazione numerica al computer per ottimizzare la progettazione del processo PIM è una tendenza inevitabile per il futuro. Poiché il PIM coinvolge la metallurgia delle polveri, l’industria chimica, la produzione meccanica e altri settori, la cooperazione regionale e internazionale è molto necessaria.
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Applicazione dello stampaggio a iniezione di metalli (MIM) in campo medico
Limiti e tendenze di sviluppo dello stampaggio a iniezione di polveri metalliche