Технология Micro MIM (Micro Metal Injection Molding) — это передовой процесс, при котором металлический порошок смешивается со связующим веществом и мельчайшие детали изготавливаются методом впрыска через пресс-форму. Эта технология сочетает в себе высокую точность литья под давлением и разнообразие материалов, используемых в порошковой металлургии, для производства сложных, миниатюрных и высокоточных металлических деталей, обычно размером от нескольких миллиметров до нескольких микрометров. Технология Micro MIM играет важную роль в области прецизионного производства, особенно при производстве высокоточных и миниатюрных деталей, отвечая потребностям современных технологий в уменьшении веса и миниатюризации.

Технология Micro MIM широко востребована в таких областях, как медицина, электроника и автомобилестроение. В медицине она может использоваться для производства миниатюрных хирургических инструментов и имплантатов; в электронной промышленности – для производства микроразъёмов и деталей мобильных телефонов; в автомобильной промышленности – для производства высокоточных датчиков и деталей двигателей. Благодаря поддержке сложных форм и высокой точности, технология Micro MIM стала незаменимой технологией в прецизионном производстве.

I. Введение в технологию Micro MIM

Технология Micro MIM (Micro Metal Injection Molding) — это технология прецизионной обработки, специально применяемая для производства микродеталей сложной формы из металла. Её основной принцип заключается в смешивании металлического порошка со связующим для формирования литьевого материала с последующим впрыском в форму. Благодаря возможности высокоточного изготовления микродеталей сложной формы, технология Micro MIM широко применяется в медицинских приборах, электронных компонентах и ​​автомобильных деталях.

II. Определение и принцип

Технология Micro MIM (инжекционное формование микрометаллов) — это производственный процесс, в котором металлический порошок смешивается с органическим связующим для формирования исходного материала, а затем производятся высокоточные микрометаллические детали посредством литья под давлением, обезжиривания, спекания и других этапов. Принцип работы заключается в следующем:

1. Приготовление порошка: выберите подходящий металлический порошок и равномерно смешайте его со связующим веществом, чтобы получился материал, подходящий для инжекции.
2. Литье под давлением: впрыскивание исходного материала в форму и формование первоначальной структуры детали под высокой температурой и высоким давлением.
3. Обезжиривание: Удалите связующее вещество из детали путем нагревания или химического воздействия, чтобы сделать ее пригодной для спекания.
4. Спекание: Обезжиренные детали нагреваются до температуры спекания металлического порошка, чтобы способствовать сплавлению частиц порошка и формированию конечных высокопрочных, плотных микрометаллических деталей.

Технология Micro MIM эффективно сочетает в себе преимущества порошковой металлургии и литья под давлением и позволяет производить мелкие и сложные металлические детали, которые трудно обрабатывать с помощью традиционных производственных процессов.

III. Выбор материала

Материалы, используемые в технологии Micro MIM, в основном представляют собой металлические порошки, обладающие высокой прочностью и высокой точностью. Наиболее часто используемые металлические материалы включают нержавеющую сталь, титановые сплавы, медные сплавы, вольфрамовые сплавы, никелевые сплавы и кобальт-хромовые сплавы. Ниже приводится подробное описание каждого металлического материала, его преимуществ и недостатков:

1. Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь — это сплав на основе железа с хромом, известный своей превосходной коррозионной стойкостью и высокой прочностью. Она часто используется в изделиях, требующих коррозионной стойкости и прочности, например, в медицинских приборах, оборудовании для пищевой промышленности и строительных элементах. Для микро-MIM-сварки обычно используются нержавеющие стали марок 304, 316 и другие.

Преимущества:

• Коррозионная стойкость: нержавеющая сталь содержит хром, что обеспечивает ей хорошую коррозионную стойкость и подходит для использования во влажных или высококоррозионных средах.
• Высокая механическая прочность: нержавеющая сталь обладает высокой прочностью и подходит для изготовления мелких деталей, подвергающихся большим механическим нагрузкам.
• Относительная дешевизна: по сравнению с другими материалами нержавеющая сталь имеет низкую стоимость и подходит для крупномасштабного производства.
• Хорошая обрабатываемость: подходит для традиционных процессов порошковой металлургии и легкого литья под давлением.

Недостатки:

• Высокая плотность: нержавеющая сталь имеет высокую плотность, что может быть неподходящим вариантом в ситуациях, когда требуется снижение веса.
• Высокая температура спекания: Температура спекания нержавеющей стали высока, обычно превышает 1200 °C, что увеличивает энергопотребление и стоимость процесса.

2. Титановые сплавы

Титановые сплавы обладают чрезвычайно высокой удельной прочностью (соотношением прочности к массе) и превосходной коррозионной стойкостью и широко используются в аэрокосмической, медицинской и химической промышленности. Для микро-MIM-технологий обычно используется титановый сплав Ti6Al4V.

Преимущества:

• Биосовместимость: титановые сплавы не вызывают реакций отторжения в организме человека и являются идеальным материалом для изготовления медицинских имплантатов.
• Высокое соотношение прочности и веса: титановые сплавы обладают высокой прочностью и малым весом, что делает их очень подходящими для аэрокосмической промышленности и миниатюрного оборудования.
• Отличная коррозионная стойкость: титановые сплавы обладают хорошей стойкостью к морской воде и химической коррозии.

Недостатки:

• Высокая стоимость обработки: затраты на сырье и обработку титановых сплавов высоки.
• Высокие требования к процессу спекания: Температура спекания титановых сплавов высока, что требует специального оборудования для спекания и точного контроля температуры.
• Хрупкость при низких температурах: некоторые титановые сплавы становятся хрупкими при низких температурах, что ограничивает их применение в условиях экстремально низких температур.

3. Медные сплавы

Медные сплавы известны своей хорошей электро- и теплопроводностью и часто используются в электронной промышленности и коммуникационном оборудовании. Для микро-MIM-технологий используются такие медные сплавы, как латунь, бронза и т. д.

Преимущества:

• Отличная электропроводность: Медные сплавы — это материалы с отличной электропроводностью и широко используются в электронных компонентах, таких как разъемы и соединители.
• Хорошая теплопроводность: медные сплавы обладают превосходной теплопроводностью и помогают рассеивать тепло в электронном оборудовании.
• Относительно низкая температура спекания: Температура спекания медных сплавов относительно низкая, обычно ниже 1000 °C, что снижает энергопотребление и требования к оборудованию процесса.

Недостатки:

• Низкая коррозионная стойкость: медные сплавы подвержены коррозии во влажных или кислых средах, что может ограничить срок их службы.
• Низкая механическая прочность: по сравнению с нержавеющей сталью и титановыми сплавами медные сплавы обладают меньшей прочностью и плохо выдерживают большие механические нагрузки.
• Высокая плотность: медные сплавы имеют высокую плотность и могут не подходить для применений с высокими требованиями к легкости.

4. Вольфрамовые сплавы

Вольфрамовые сплавы обладают высокой плотностью, высокой температурой плавления и хорошей износостойкостью и часто используются в условиях высоких температур и в областях, требующих высокой твёрдости. Сплавы на основе вольфрама в основном применяются в аэрокосмической, военной и других областях.

Преимущества:

• Высокая плотность и твердость: вольфрамовые сплавы обладают чрезвычайно высокой плотностью и хорошей износостойкостью и подходят для деталей, требующих высокой твердости и прочности.
• Высокая термостойкость: температура плавления вольфрамовых сплавов превышает 3000 °C, что подходит для использования в условиях высоких температур, например, при термическом напылении и для деталей, работающих при высоких температурах.
• Хорошая защита от радиации: Высокая плотность вольфрама обеспечивает ему хорошую защиту от радиации, что подходит для атомной промышленности и медицинского диагностического оборудования.

Недостатки:

• Высокая стоимость: вольфрамовое сырье дефицитно и дорого, поэтому не подходит для крупномасштабного и низкозатратного производства.
• Высокая сложность спекания: Температура спекания вольфрамовых сплавов чрезвычайно высока, что требует специального оборудования и высокого расхода энергии.
• Высокая хрупкость: вольфрамовые сплавы обладают плохой пластичностью и могут хрупко разрушаться при больших нагрузках.

5. Никелевые сплавы

Никелевые сплавы отличаются превосходной коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам и широко используются в оборудовании для химической обработки, компонентах газотурбинных двигателей и деталях, работающих в условиях высоких температур. К распространённым сплавам на основе никеля относятся инконель, хастеллой и др.

Преимущества:

• Хорошая коррозионная стойкость: никелевые сплавы могут противостоять многим кислотным и щелочным коррозионным средам.
• Хорошее сохранение высокотемпературной прочности: никелевые сплавы могут сохранять свою прочность в условиях высоких температур и подходят для деталей, работающих в условиях высоких температур.
• Высокая стойкость к окислению: никелевые сплавы также могут эффективно противостоять окислению при высоких температурах.

Недостатки:

• Сложная обработка: Никелевые сплавы обладают высокой твердостью и плотностью, а процесс их обработки и спекания сложен и трудоемок.
• Высокая стоимость: Высокая цена никелевых сплавов ограничивает их использование в некоторых недорогих приложениях.
• Высокая плотность: Никелевые сплавы имеют высокую плотность и не подходят для применений, чувствительных к весу.

6. Кобальт-хромовый сплав

Кобальтохромовые сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью, отличной биосовместимостью и часто используются в медицинских имплантатах, таких как искусственные суставы, стоматологические сплавы и т. д. Благодаря своей превосходной коррозионной стойкости они также широко используются в морской и химической отраслях.

Преимущества:

• Отличная биосовместимость: кобальтохромовые сплавы обладают хорошей совместимостью с тканями человека и являются предпочтительным материалом для изготовления медицинских имплантатов, таких как суставы и зубы.
• Высокая твердость и износостойкость: кобальтохромовые сплавы обладают высокой твердостью, не подвержены износу и подходят для применений с высоким трением.
• Высокая коррозионная стойкость: обладает превосходной коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах и подходит для длительного использования в организме или в агрессивных средах.

Недостатки:

• Высокая стоимость обработки: кобальтохромовые сплавы имеют высокую твердость, высокую сложность обработки и более строгие требования к оборудованию.
• Низкая эластичность: кобальтохромовые сплавы не такие эластичные, как титановые сплавы, и не подходят для применений, требующих определенной степени прочности и эластичности.
• Высокая стоимость: кобальтохромовые сплавы требуют больших затрат на сырье и обработку и подходят для применений с высокой добавленной стоимостью.

Другие материалы из микрометаллического порошка

Бренд	Фазовая структура	Магнетизм	Термическая обработка	Приложение
304L	Аустенит	слабый магнетизм	Нет эффекта закалки	Внутренняя структура и внешний вид, защитная крышка кольца объектива/держатель для карты
316L/317L	Аустенит	слабый магнетизм	Нет эффекта закалки	Внутренняя структура и внешний вид, защитная крышка кольца объектива/держатель для карты
904Л	Аустенит	слабый магнетизм	Нет эффекта закалки	Основные детали для умных часов
ПАНАЦЕЯ	Аустенит	нет магнетизма	Отсутствие стойкости к магнитной коррозии	Кронштейн печатной платы и немагнитные структурные детали, защитная крышка кольца объектива
310Н	Аустенит	слабый магнетизм	Нет эффекта закалки	Термостойкость для длительного использования 750-800°C
420J2	Мартенсит	сильный магнетизм	Закалка в воде	Износостойкие детали, различные подушки, валы для продуктов, ноутбуки/мобильные телефоны со складным экраном
440С	Мартенсит	сильный магнетизм	Закалка в воде	Износостойкие детали, различные подушки, валы для продуктов, ноутбуки/мобильные телефоны со складным экраном
2507	Дуплекс	сильный магнетизм	Закалка в воде	Основные характеристики умных часов
174PH	Дуплекс	сильный магнетизм	Дисперсионное твердение	Различные конструктивные детали/разъемы и терминальные порты

Бренд	Фазовая структура	Термическая обработка	Приложение
Фе	Умеренный магнитный	Закалка по содержанию углерода	Внутренние конструктивные детали, требующие различной антикоррозийной обработки/компоненты индуктора
(SAE1010)	Высокая магнитная индукция
Fe2Ni	Умеренный магнитный	Закалка по содержанию углерода	Внутренние конструктивные детали требуют различных антикоррозийных обработок.
Fe4Ni	Умеренный магнитный	Закалка по содержанию углерода	Внутренние конструктивные детали требуют различных антикоррозийных обработок.
Fe8Ni	Умеренный магнитный	Закалка по содержанию углерода	Внутренние конструктивные детали требуют различных антикоррозийных обработок.
Fe50Ni	Высокая магнитная проницаемость	Закалка по содержанию углерода	Внутренние конструктивные детали требуют различных антикоррозийных обработок.
FeSi3	Высокая магнитная проницаемость	Закалка по содержанию углерода	Внутренние конструктивные детали требуют различных антикоррозийных обработок.
Низколегированная сталь	Умеренный магнитный	Закалка по содержанию углерода	Внутренние конструктивные детали, требующие различной антикоррозийной обработки/компоненты индуктора
((Низкое содержание цветных элементов))	Высокая магнитная индукция

Бренд	Фазовая структура	Термическая обработка	Приложение
Fe50Co	Нет магнитной проводимости	Отжиг смягчает прочность	Разъем и порт терминала/ЭМС-экранирование
ASTM F75	Нет магнитной проводимости	Отжиг смягчает прочность	Кронштейн печатной платы и немагнитные структурные детали, защитная крышка кольца объектива
Инконель 718	Нет магнитной проводимости	Отжиг смягчает прочность	Внутренние структурные части, такие как разъемы и порты терминалов
WNiFe	Низкий магнитный	Дегидрирование улучшает прочность	Различные противовесы и виброплиты
Cu	Немагнитный	Дегидрирование улучшает прочность	Различные конструкции настенных экранов для рассеивания тепла и ЭМС
WCu	Немагнитный	Дегидрирование улучшает прочность	Требуется разнообразное рассеивание тепла, низкая деформация и быстрое рассеивание тепла.
Ти (ТА1)	Немагнитный	Дегидрирование улучшает прочность	Специально для контакта с телом человека
Ti6Al4V (TC4)	Немагнитный	Дегидрирование улучшает прочность	Специально для контакта с телом человека
Высокопрочная сталь THOR	Немагнитный	Дисперсионное твердение	Ось

Каждый металлический материал имеет свои уникальные преимущества и недостатки. Выбор подходящего материала должен основываться на конкретных требованиях к применению и бюджете, чтобы оптимизировать производственные затраты и гарантировать качество детали.

IV. Процесс формования

Технология Micro MIM (инжекционное формование микрометаллов) — это высокоточный производственный процесс, специально разработанный для изготовления миниатюрных сложных металлических деталей. Он сочетает в себе преимущества порошковой металлургии и литья под давлением, смешивая металлический порошок со связующим и изготавливая сложные мелкие металлические детали методом литья под давлением. Ниже подробно описан принцип работы технологии Micro MIM и её основные этапы:

1. Смешивание металлического порошка со связующим

Первым этапом технологии Micro MIM является смешивание металлического порошка с органическим связующим веществом (связующим веществом) для получения пластичной смеси, называемой «фидом». В качестве металлических порошков обычно используются нержавеющая сталь, титановые и медные сплавы, а связующим веществом обычно служат термопластичные полимеры, воск и масло.

• Металлический порошок: размер частиц составляет 110 микрон, что обеспечивает пригодность для прецизионной обработки.
• Связующее: играет вспомогательную роль, позволяя металлическому порошку проходить через форму для литья под давлением и сохранять свою форму в процессе формования.

• Процесс смешивания: смешать металлический порошок и связующее в определённой пропорции и с помощью смесителя с высоким сдвиговым усилием равномерно распределить металлический порошок в связующем до образования однородной смеси. Эта смесь становится текучей при нагревании и может быть сформирована после охлаждения.

2. Литье под давлением

Литье под давлением — один из основных этапов микро-MIM-технологии. В этом процессе смесь нагревается до определённой температуры для размягчения связующего и придания текучести. Затем нагретая смесь впрыскивается в прецизионную форму с помощью литьевой машины, формируя грубую форму детали.

• Конструкция пресс-формы: Пресс-форма должна быть точной для получения необходимой формы и деталей. Обычно она изготавливается из материалов высокой твёрдости, что обеспечивает точность и долговечность.

• Температура и давление впрыска: Чтобы смесь могла равномерно заполнить полость формы, обычно необходимо производить впрыск при более высокой температуре и давлении.

• Охлаждение и формование: После заливки смеси в форму её немедленно охлаждают до затвердевания. Затвердевшая часть называется «зелёной заготовкой» и содержит большое количество связующего вещества, сохраняющего форму металлического порошка.

3. Обезжиривание

Обезжиривание — это удаление связующих веществ из сырых заготовок для получения высокоплотных деталей из чистого металла. Удаление связующих веществ обычно делится на два этапа: предварительное и основное.

• Предварительное удаление связующего: сначала удаляется около 60–80% связующего из сырой заготовки с помощью растворителя или термического удаления связующего. Процесс проводится при более низкой температуре, чтобы избежать повреждения структуры детали.
• Основное удаление связующего: используется технология высокотемпературного или каталитического удаления связующего для полного удаления оставшегося связующего. При этом деталь превращается в «коричневую заготовку», в которой ещё сохраняется связь частиц металлического порошка, но связующее вещество удалено.

В процессе удаления связующего, особенно на этапе предварительного удаления связующего, крайне важно избегать деформации и растрескивания заготовки. Контроль температуры и времени обеспечивает равномерное удаление связующего с сохранением формы детали.

4. Спекание

Спекание — это последний этап технологии Micro MIM, заключающийся в объединении частиц металлического порошка в коричневой заготовке в плотную металлическую структуру посредством высокотемпературной обработки. В ходе этого процесса частицы порошка в коричневой заготовке диффундируют под действием высокой температуры и соединяются друг с другом, образуя деталь с высокой прочностью и плотностью.

• Температура спекания: В зависимости от металлического материала температура спекания обычно составляет от 1100°C до 1400°C.
• Атмосфера спекания: Чтобы избежать окисления или других реакций, спекание обычно проводят в вакуумной среде или под защитой инертного газа (например, азота или водорода).
• Объёмная усадка: в процессе спекания детали дают определённую усадку, обычно от 15 до 20%. Эта усадка может повысить плотность и прочность.
• Окончательное формование: После спекания плотность и механические свойства деталей значительно улучшаются, что позволяет достичь точности и качества, требуемых конструкцией.

5. Постобработка (опционально)

В зависимости от требований к применению спеченные детали могут потребовать дополнительных этапов постобработки, таких как:

• Термическая обработка: например, закалка или отпуск для повышения твердости и механических свойств.
• Обработка поверхности: например, гальванопокрытие, полировка или оксидирование для улучшения качества поверхности или стойкости к коррозии.
• Обработка: В особых случаях для получения точных размеров могут потребоваться незначительные корректировки обработки.

V. Преимущества микролитья металлов под давлением

1. Высокая точность:

Общий допуск MIM составляет ±0,5%, что выше, чем ±1% для выплавляемых моделей.

2. Изготовление изделий сложной формы:

Технология MIM позволяет создавать трёхмерные формы с высокой степенью свободы. По сравнению с другими методами обработки металлов давлением, такими как листовая штамповка, MIM позволяет формировать детали очень сложной геометрической формы, включая тонкостенные конструкции и детали с внутренними каналами, которые сложно изготовить традиционными методами обработки. Другими словами, MIM позволяет создавать изделия сложной конструкции, которые можно получить методом литья пластмасс под давлением.

3. Низкозатратное производство:

MIM использует литьевые машины для формования экологически чистых изделий, что значительно повышает эффективность потребления, существенно сокращает трудозатраты и материальные ресурсы, а также снижает издержки производства; при этом разнообразие и повторяемость литьевых изделий хороши, что обеспечивает гарантию массового и крупномасштабного промышленного потребления.

4. Высокий коэффициент использования материала:

Материалы для литья под давлением можно использовать многократно, а коэффициент использования материала практически 100%. Отходы производства практически отсутствуют, что позволяет максимально эффективно использовать металлический порошок и сократить количество отходов материала.

5. Однородная микроструктура, высокая плотность и хорошие эксплуатационные характеристики деталей:

MIM – это процесс формования в жидкую фазу. Наличие адгезива обеспечивает равномерное распределение порошка, тем самым устраняя неравномерность микроструктуры заготовки. Микроструктура однородна, без грубой кристаллической структуры и сегрегации компонентов, возникающих в процессе литья, благодаря чему плотность спеченного изделия может достигать теоретической плотности материала. Как правило, MIM может достигать 95–99 % от теоретической плотности, а для изделий с высоким содержанием углерода при спекании в жидкой фазе можно получить почти 100 % относительной плотности. Высокая плотность может повысить прочность деталей MIM, повысить ударную вязкость, улучшить пластичность, электро- и теплопроводность, а также улучшить магнитные свойства. Плотность деталей, прессованных традиционным формованием порошков, может достигать максимум лишь 85 % от теоретической плотности. Это в основном связано с трением между стенкой формы и порошком, а также между порошками, что приводит к неравномерному распределению давления прессования, что приводит к неравномерной микроструктуре прессованной заготовки. Это приведет к неравномерной усадке прессованных деталей из порошковой металлургии в процессе спекания, поэтому для уменьшения этого эффекта необходимо снизить температуру спекания, что приведет к большой пористости, плохой плотности материала и низкой плотности изделий, что серьезно скажется на механических свойствах деталей.

6. Высокая прочность и высокое качество поверхности:

Механическая прочность изделий, полученная методом литья, близка к прочности, достигаемой методом литья, а механические свойства изделий значительно превосходят свойства изделий, полученных методом точного литья и традиционной порошковой металлургии. Размерная точность и качество поверхности изделий также выше, чем у изделий, полученных методом точного литья, что позволяет снизить необходимость последующей обработки. Шероховатость поверхности может достигать Rmax6~8 мкм (Ra1,5-2).

VI. Применение технологии микролитья металлов под давлением

1. Медицинские приборы

Медицинские устройства, как правило, должны быть удобными в использовании, достаточно долговечными и иметь гибкую конструкцию и форму. Технология MIM была впервые применена в медицинских изделиях в начале 1980-х годов и стала самым быстрорастущим направлением на рынке MIM.

В настоящее время большинство медицинских МИМ-изделий изготавливаются из нержавеющей стали, основными марками которой являются 316L и 17-4PH; также используются титановые сплавы, магниевые сплавы, золото, серебро, тантал и т. д.

1.1 Ортодонтические брекеты

Технология MIM впервые была применена в медицине для производства некоторых ортодонтических аппаратов. Эти прецизионные изделия отличаются малыми размерами, хорошей биосовместимостью и коррозионной стойкостью, а основным материалом для их изготовления служит нержавеющая сталь марки 316L. В настоящее время ортодонтические брекеты по-прежнему остаются основной продукцией MIM-индустрии.

Компания использует технологию MIM для производства двухстороннего крючкообразного ортодонтического брекета, который может увеличить механическую силу фиксации на 30%. Однократное формование и полировка MIM позволяют значительно снизить трение брекета о дугу. Этот продукт играет положительную роль в ортодонтической хирургии.

1.2 Хирургические инструменты

Хирургические инструменты требуют высокой прочности, низкого уровня загрязнения крови и возможности проведения агрессивных дезинфекционных процедур. Гибкость конструкции технологии MIM позволяет применять большинство хирургических инструментов. Она также обладает технологическими преимуществами и позволяет производить различные металлические изделия с низкой себестоимостью. Технология MIM постепенно вытесняет традиционные технологии производства и становится основным методом производства.

1.3 Детали коленного имплантата

Технология MIM медленно развивается в области человеческих имплантатов, главным образом потому, что сертификация и приемка продукции требуют длительного периода времени.

В настоящее время технология MIM позволяет изготавливать детали, частично заменяющие кости и суставы, а в качестве металлических материалов в основном используются сплавы Ti.

Что касается биосовместимости, Чэнь Лянцзянь и соавторы использовали технологию МИМ для получения пористого титана с пористостью 60%, а также использовали модифицированный метод конденсационной полимеризации с поперечными связями для получения желатиновых микросфер с замедленным высвобождением и нанесли их на поверхность пористого титана.

1.4 Звуковые трубки слуховых аппаратов

Технология MIM также может быть использована для производства деталей различных медицинских приборов.

Компания Indo-MIM использует технологию MIM для производства звуковой трубки для слуховых аппаратов Phonak в Германии, которая улучшает частоту звука и улучшает слух.

После формования и спекания МИМ-материала получается звуковая трубка сложной формы для слухового аппарата. Чтобы поверхность звуковой трубки стала гладкой, достаточно лишь пройти пескоструйную обработку стеклянными шариками.

Технология MIM может также использоваться для производства множества изделий в области медицины, включая стенты для интервенционного лечения, радиационную защиту для шприцев из вольфрамового сплава высокой плотности, микрохирургические манипуляторы, детали эндоскопов с микронасосами и лекарственные ингаляторы.

2. Электронное оборудование

Электронное приборостроение является основной областью применения MIM-компонентов, на долю которой приходится около 50% продаж MIM-компонентов в Азии. Миниатюризация электронных устройств требует создания более мелких деталей, снижения затрат на производство и повышения производительности, что и является преимуществом MIM-компонентов.

Развитию MIM-технологий в Китае способствовало развитие электронной промышленности (например, мобильных телефонов и т.д.). С 2009 года вся отрасль стремительно развивается; особенно после середины 2011 года, благодаря конкуренции между Apple и Samsung Electronics, большое количество MIM-компонентов стало использоваться в мобильных телефонах, что является беспрецедентной тенденцией.

2.1 Смартфоны

В 1990-х годах наиболее известным применением MIM-технологии был вибратор из вольфрамового сплава вибромотора машины BP. После 2000 года нержавеющая сталь стала широко использоваться, например, в оптоволоконных разъемах, шарнирах бытовой электроники, кнопках мобильных телефонов, лотках для SIM-карт и т. д. Недавний инвестиционный бум в индустрии MIM обусловлен широким применением MIM-компонентов в индустрии мобильных телефонов. Сборочные заводы отрасли 3C также расположены в Китае, а снижение пороговых значений инвестиций привлекло значительный приток капитала.

2.2 Изготовление чехлов для мобильных телефонов

Корпус мобильного телефона — важная его часть. Технология MIM позволяет изготавливать высокоточные, прочные и лёгкие корпуса. В процессе производства сначала изготавливаются литьевые заготовки корпуса мобильного телефона, затем они помещаются в форму для литья под давлением, после чего выполняется обработка поверхности и сборка.

2.3 Производство камер

Производство камер мобильных телефонов требует высокой точности и миниатюризации. Технология MIM позволяет изготавливать высокоточные миниатюрные объективы и кронштейны. В процессе производства MIM-технология сначала используется для литья под давлением заготовок кронштейна и объектива камеры, затем заготовки помещаются в форму для литья под давлением, после чего выполняется обработка поверхности и сборка.

2.4 Изготовление лотков для карт

Лоток для карт — важная часть электронных продуктов для мобильных телефонов. Технология MIM позволяет изготавливать лотки для карт с высокой точностью, прочностью и лёгкостью. В процессе производства сначала изготавливаются заготовки лотка для карт методом литья под давлением, затем они помещаются в форму для литья под давлением, после чего выполняется обработка поверхности и сборка.

2.5 Изготовление вала

Складные мобильные телефоны также являются разновидностью электронных изделий. Корпус их складного экрана также может быть изготовлен с использованием MIM-технологии. Некоторые из самых точных деталей требуют использования MIM-технологии, точность которой может достигать ±0,1%~±0,3%.

2.6 Изготовление пуговиц

Кнопки рядом со смарт-часами также используются для электронных продуктов 3C, как, например, кнопки ниже, которые также изготовлены по технологии MIM.

2.7 Производство колпачков емкостных ручек

Детали, используемые в емкостной ручке, установленной на iPad, также изготовлены по технологии MIM.

2.8 Производство умных ремешков для часов

Умные ремешки для часов — это разновидность электронных изделий 3C. Технология MIM позволяет производить умные ремешки с высокой точностью. Последующая обработка позволяет получать изделия высочайшего качества.

3. Детали оптического волокна

Оптоволоконная технология широко используется в области связи, датчиков и медицины. Её основные компоненты должны обладать высокой точностью, прочностью и миниатюрностью. Технология микролитья металлов под давлением (μMIM) стала идеальным выбором для изготовления оптоволоконных деталей благодаря высокой точности, обработке сложных геометрических форм и возможностям массового производства. Этот процесс сочетает в себе порошковую металлургию и литье под давлением для производства микродеталей, отвечающих требованиям современной оптоволоконной технологии.

3.1 Корпус разъема

Оптоволоконные разъемы являются одним из основных компонентов, используемых для соединения концов оптических волокон в системах оптоволоконной связи. Корпус разъема чрезвычайно мал и требует высокой износостойкости, а также хорошего электромагнитного экранирования. Технология μMIM позволяет производить точные и прочные металлические корпуса разъемов, обеспечивающие эффективную передачу оптических сигналов.

3.2 Волоконные фиксаторы и выравниватели

В оптоволоконных системах точное совмещение оптических волокон крайне важно для передачи сигнала. Технология μMIM может использоваться для производства высокоточных выравнивателей и фиксаторов волокон. Эти детали обычно имеют сложную геометрическую структуру. μMIM может быть сформирован за один проход, что позволяет избежать ошибок, возникающих при традиционной обработке, и гарантировать точность совмещения волокон.

3.3 Волоконно-оптические адаптеры и разъемы

Оптоволоконные адаптеры используются для подключения оптоволоконных разъёмов к устройствам. Точность и прочность разъёма напрямую влияют на стабильность оптоволоконной системы. Технология μMIM позволяет не только создавать адаптеры сложной формы, но и обеспечивать высокую механическую прочность и долговечность, отвечающие требованиям высокочастотного применения.

3.4 Пакет датчиков

В волоконно-оптической системе датчиков корпус должен быть пыле-, водонепроницаемым и устойчивым к высоким температурам, обеспечивая при этом стабильную передачу сигнала по оптическому волокну во время процесса измерения. Технология μMIM позволяет производить высокопрочные корпуса сложной формы, которые не только обеспечивают защиту, но и не влияют на характеристики оптического волокна.

3.5 Инструмент для резки волокон и полировки торцов

Инструменты для резки и полировки торцов оптоволокна требуют чрезвычайно высокой точности, чтобы обеспечить плоскостность торца волокна и эффективную передачу оптических сигналов. Технология μMIM позволяет производить высокопрочные, высокоточные металлические ножи и полировальники, способные сохранять стабильную работу в течение длительного времени и повышать эффективность работы.

4. Автомобильная промышленность

С тех пор, как в начале 1990-х годов детали MIM вышли на автомобильный рынок, после почти 20 лет развития, появляется все больше и больше производителей деталей MIM для автомобилей. По сравнению с традиционными методами обработки детали MIM обладают характеристиками высокой точности, высокой прочности, высокой сложности формы, разнообразия материалов и низкой стоимости, поэтому технология MIM широко используется в автомобилях. В настоящее время детали MIM, используемые в автомобилях, как правило, изготавливаются из материалов на основе железа, в основном из легированной стали Fe-Ni, легированной стали Fe-04C-1Cr-075Mn-0.2Mo, предварительно легированной стали Cr-Mo-C, стали Ni-Cr-Mo-C 316L, нержавеющей стали серии 17-4PH400 серии HK Conel713C, жаропрочной легированной стали на основе никеля.

4.1 Турбокомпрессор

Турбокомпрессор в основном состоит из турбины, насосного колеса, ротора, рабочего колеса и т. д. Сила инерции, создаваемая выхлопными газами высокого давления, выбрасываемыми двигателем, заставляет вращение насосное колесо, а ротор приводит во вращение турбину, так что давление на впуске двигателя увеличивается. В последние годы исследования, разработки и производство деталей турбокомпрессоров из МИМ стали центром научно-исследовательских работ. В то же время турбокомпрессоры также являются одной из знаковых частей производства МИМ. Их структура чрезвычайно сложна, рабочие условия суровые, а требования к точности высоки. Однако другие методы обработки являются дорогостоящими и трудноконтролируемыми. Детали турбокомпрессора в основном состоят из сверхвысокотемпературных сплавов на основе никеля, кристаллических сплавов и других материалов. МИМ внесла большой вклад в детали турбокомпрессоров.

4.2 Автомобили

Многие мелкие прецизионные сборочные детали автомобилей могут быть изготовлены с использованием технологии MIM. Изготовление сборочных деталей обычно осуществляется ковкой, точным литьем и другими методами. Изготовленные детали являются дорогостоящими и имеют низкую точность, и не могут обеспечить хорошую экономическую выгоду. Использование технологии MIM может повысить эффективность производства, улучшить точность, сэкономить материалы, сократить процессы и снизить затраты. Бензиновый инжектор с электронным управлением на автомобильном двигателе состоит из более чем 20 деталей. Среди них железный сердечник, якорь, магнитный направляющий лист, направляющий корпус и другие детали составляют структуру магнитной цепи инжектора. Все эти детали изготовлены из магнитомягких сплавных материалов. Детали, изготовленные из нанокристаллического порошка магнитомягкого сплава на основе железа по технологии MIM, улучшили комплексную производительность инжекторов, изготовленных по технологии MIM, по сравнению с традиционными бензиновыми инжекторами.

4.3 Датчики

С развитием науки и техники типы и функции датчиков, используемых в автомобилях, становятся всё более разнообразными, интеллектуальными и миниатюрными. Корпуса датчиков используются в различных областях применения, в частности, в шасси двигателя, бортовых навигационных системах и других системах! Многие датчики для шасси двигателя, бортовых навигационных систем и других систем изготавливаются методом MIM, например, компоненты датчиков давления, вставки датчиков подушек безопасности, кислородные датчики, датчики рулевого управления, датчики круиз-контроля, корпуса датчиков и т.д. По сравнению с точным литьём, MIM-технология обладает такими преимуществами, как хорошая шероховатость поверхности, высокая прочность на разрыв, а также возможность комбинирования деталей, уменьшения количества деталей, снижения затрат и повышения эффективности.

Помимо вышеперечисленных деталей, ключ зажигания, детали коромысла двигателя, U-образный зажим рулевого механизма, синхронизатор заднего хода, толкатель клапана, крышка камеры сгорания поршневого кольца, фиксатор автомобиля и т. д. изготавливаются с использованием технологии MIM.

5. Прецизионное машиностроение

Технология MIM позволяет производить металлические детали сложной трёхмерной геометрической формы, отличающиеся высокой сложностью, точностью, прочностью, изысканным внешним видом и миниатюрными характеристиками, в больших количествах, с высокой эффективностью и низкой стоимостью. Она широко применяется в различных прецизионных приборах. Эти шестерни, как правило, имеют диаметр порядка миллиметра или даже меньше, сложную конструкцию, требующую высокой прочности, износостойкости и точного зацепления. С развитием науки и техники микрошестерни играют важнейшую роль в электронных изделиях, медицинском оборудовании, аэрокосмической и других областях.

5.1 Устройство точного отсчета времени

В часовой промышленности, особенно в производстве высококачественных механических часов, микрошестерни являются одним из основных компонентов. Благодаря точному зацеплению шестерён, механические часы могут обеспечивать высокую точность хода. Из-за ограниченного внутреннего пространства механических часов размер шестерёнок должен быть очень малым, а их работа – исключительно плавной. Высокая точность и низкий коэффициент трения микрошестерёнок имеют решающее значение.

5.2 Микроскопы и оптические приборы

Система фокусировки и точная юстировка оптических элементов микроскопов основана на передаче микрошестерён. Точность микрошестерён напрямую влияет на настройку увеличения микроскопа и чёткость изображения. Микрошестерни также широко используются в механизмах точной настройки оптических приборов для обеспечения точного управления оптическим путём.

5.3 Медицинские приборы

В малоинвазивном хирургическом оборудовании микрошестерни используются для привода различных миниатюрных роботизированных манипуляторов и хирургических инструментов. Эти шестерни чрезвычайно малы по размеру, но требуют исключительно высокой точности и надежности для обеспечения точности и безопасности хирургических операций. Микрошестерни также широко используются в системах регулировки микросверл и насосах для крови в стоматологическом оборудовании.

5.4 Роботы и средства автоматизации

Микророботы часто используются в хирургии, производстве и лабораторной автоматизации. Эти роботы требуют гибких сочленений и точного управления движениями. Система микроприводов является ключевым компонентом этих роботов, помогая им выполнять сложные движения и операции. Благодаря компактной конструкции робота, высокая эффективность и низкий уровень шума микроприводов особенно важны.

6. Бытовая электроника

Продукция электронной связи является важным рынком для MIM-компонентов. Практически все производители мобильных телефонов закупают большое количество MIM-компонентов, а миниатюрные и многофункциональные компоненты в сфере связи прекрасно подходят для использования преимуществ MIM-технологии. Литье под давлением MIM позволяет снизить производственные затраты, повысить эффективность производства, а также уменьшить размеры и вес деталей. Разработчики мобильных телефонов стремятся к достижению тонкости, уменьшению веса и улучшению тактильных ощущений от деталей. Разработка проектов мобильных телефонов происходит очень быстро, и только технология MIM позволяет производить такое количество деталей за короткий период времени.

Помимо лотка для карт, шарниры, используемые в популярных мобильных телефонах со складным экраном, также являются деталями из МИМ. Конечно, помимо перечисленных выше типичных случаев, существует множество других применений МИМ-деталей в потребительской электронике.

VII. Проблемы и ограничения

1. Высокие затраты на оборудование

Высокая стоимость пресс-формы:

Технология μMIM требует использования высокоточных пресс-форм для обеспечения точности литья. Стоимость изготовления и обслуживания таких пресс-форм высока, особенно для деталей со сложной геометрией и мелкосерийного производства. Стоимость пресс-форм может составлять значительную часть общей стоимости производства.

Отходы материала и низкий коэффициент использования: В процессе производства микродеталей сложно полностью компенсировать потери материала, возникающие при обезжиривании и спекании. Особенно при использовании драгоценных металлов (таких как титан и другие драгоценные металлы) эти отходы значительно увеличивают производственные затраты.

Машины и оборудование стоят дорого:

Оборудование для микролитья металлов под давлением (μMIM) обычно требует сложной машины для микролитья под давлением, сложной печи для спекания и эффективной системы обезжиривания. Эти устройства требуют не только огромных инвестиций в производство, но и дополнительных затрат на обслуживание и эксплуатацию.

2. Точность формования и ограничения по размерам

Хотя процесс μMIM отлично подходит для обработки деталей микронного масштаба, он по-прежнему сталкивается с некоторыми ограничениями по точности и размерам:

Размерная усадка и деформация:

Процесс μMIM приводит к значительному уменьшению объёма металлического порошка в процессе обезжиривания и спекания, обычно примерно на 15–20%. Эта усадка влияет на точность формования, особенно при изготовлении деталей сложной геометрии и тонкостенных деталей, где вероятность неравномерной деформации высока.

Сложность обработки поверхности и микроструктуры:

Поверхность спеченных микродеталей часто имеет проблемы с высокой шероховатостью и заметной зернистостью. Для достижения оптического уровня чистоты и точности мелкодисперсной структуры часто требуются дополнительные этапы обработки поверхности, такие как гальванопокрытие, полировка и т. д.

3. Ограничения по выбору материала

Процесс μMIM предъявляет высокие требования к выбору материала. Металлический порошок, используемый в этом процессе, должен обладать следующими характеристиками:

Очень мелкие и однородные частицы:

Как правило, диаметр частиц металлического порошка, используемого в процессе μMIM, составляет менее 10 микрон, однако слишком мелкие частицы порошка легко агломерируются, что затрудняет их равномерное распределение в процессе смешивания, что влияет на качество формования.

Сложность обработки специальных сплавов: некоторые высокопроизводительные сплавы (например, титановые и алюминиевые) трудно поддаются спеканию и обезжириванию в процессе μMIM из-за их высокой активности или лёгкой окисляемости. Поэтому применение этих материалов по-прежнему ограничено.

Проблемы совместимости материалов: Совместимость связующего вещества и металлического порошка, используемого в процессе μMIM, должна быть очень высокой, в противном случае это повлияет на текучесть детали во время формования и механические свойства конечной детали.

4. Контроль производственного процесса сложен

Управление производственным процессом литья металлов под давлением (MIM) довольно сложно, что в основном отражается в точном управлении несколькими ключевыми этапами. Во-первых, компаундирование и литье под давлением требуют смешивания металлического порошка со связующим веществом и обеспечения его однородности для предотвращения дефектов литья. Температура, давление и скорость в процессе литья должны строго контролироваться, чтобы обеспечить полное заполнение формы материалом, предотвращая образование пузырьков и пустот. Недостаточная осторожность может привести к дефектам поверхности или неравномерной внутренней структуре детали. Кроме того, конструкция пресс-формы также имеет решающее значение, особенно для деталей со сложной геометрией и мелкими деталями, требующими исключительно высокой точности формования.

Последующие процессы удаления связующего и спекания ещё более сложны. Обезжиривание – это удаление связующего, использованного во время инжекции, чтобы оставить металлический каркас. Этот этап требует длительного нагрева и точного контроля времени. Незначительные колебания температуры и атмосферных условий во время обезжиривания могут привести к образованию трещин или пор внутри детали. Процесс спекания требует уплотнения металлического порошка при высоких температурах для достижения механической прочности и точности готового изделия. Контроль температуры и времени спекания крайне важен. Слишком высокая температура приведёт к деформации детали, а слишком короткое время может не обеспечить полного уплотнения. В совокупности тщательный контроль каждого этапа напрямую влияет на качество и эксплуатационные характеристики готовой детали.

VIII. Будущее развитие

1 Технический прогресс

Благодаря постоянному развитию технологий, процесс микролитья металлов под давлением (μMIM) достиг значительных улучшений, особенно в области материаловедения, точности оборудования и оптимизации процесса. Исследования и разработки высококачественного металлического порошка позволяют уменьшить размер частиц порошка и сделать их более однородными, что значительно улучшает качество поверхности и структурную прочность деталей. Кроме того, была усовершенствована технология удаления связующего и спекания для снижения производственных дефектов и повышения надежности и стабильности процесса за счет более эффективного и точного управления. В то же время, внедрение интеллектуальных производственных технологий, таких как автоматизированный мониторинг и оптимизация параметров, еще больше повысило эффективность процесса μMIM, сделав массовое производство микросложных деталей более стабильным и экономичным.

2 Разработка новых материалов

Разработка новых материалов для процесса микролитья под давлением металлов (μMIM) в основном сосредоточена на исследовании и применении высокопроизводительных сплавов и композитных материалов. В последние годы, в ответ на особые требования к прочности, коррозионной стойкости и электропроводности микродеталей, исследователи разработали новые материалы, такие как титановые сплавы, нержавеющая сталь и жаропрочные сплавы, подходящие для процесса μMIM. Эти материалы обладают улучшенными механическими свойствами и технологичностью, а также снижают дефекты, возникающие при спекании и удалении связующего. Кроме того, разработка биосовместимых металлических материалов также открывает новые возможности для производства микродеталей в медицине, электронике и других областях. Благодаря улучшению формулы материала эти новые материалы не только улучшают эксплуатационные характеристики продукта, но и оптимизируют эффективность производства и контроль затрат процесса μMIM.

3. Повышение эффективности производства

Для повышения эффективности производства микролитья металлов под давлением (μMIM) технические усовершенствования в основном направлены на оптимизацию процесса и модернизацию оборудования. Современное автоматизированное оборудование для литья под давлением в сочетании с точной системой контроля температуры ускоряет и делает процесс литья под давлением более стабильным, снижая процент брака. В то же время, внедрение технологий быстрого обезжиривания и спекания, таких как микроволновое спекание и вакуумное обезжиривание, значительно сократило производственный цикл. Кроме того, применение интеллектуальных технологий мониторинга и анализа данных в процессе позволяет регулировать ключевые параметры производства в режиме реального времени, обеспечивая эффективное и непрерывное производство. Эти технологические усовершенствования не только повышают производительность в единицу времени, но и улучшают однородность и стабильность качества продукции.