Junij 9 II 139
neko vine
tehnologije brizganja
Osnove
Tehnologija brizganja prahu (angl. PIM – Powder Injection Molding) je kombinacija brizganja polimerov in enoosnega stiskanja prahastih materialov. Nastali izdelek zdru- žuje komplicirane oblike visokih natančno- sti, ki jih omogoča brizganje, in izdelavo po principu povezovanja delcev s sintranjem.
Tehnologija se v grobem deli na brizganje kovinskih (angl. MIM – Metal Injection Molding) in nekovinskih prašnatih mate- rialov (angl. CIM – Ceramic Injection Mol- ding). Dalje se tehnologija deli na nizko-, srednjevisoko- in visokotlačno brizganje.
Vse faze tehnologije PIM so prikazane na Sliki 1.
Razlika med brizganjem polimerov in brizganjem prahov je predvsem v mate- rialih, ki se predelujejo. Pri postopku bri- zganja prahu se v kalupno votlino orodja vbrizga mešanica veziva in prašnatih del-
Brizganje prašnatih materialov
Razvoj novih izdelkov z veliko dodano vrednostjo mora biti cilj vsakega slo- venskega podjetja, ki hoče preživeti na globalnem trgu. Ena izmed možno- sti je vpeljava novih tehnologij, ki prinašajo številne prednosti pred konven- cionalnimi postopki. Takšen je tudi proces brizganja prašnatih materialov, ki združuje oblikovne zmogljivosti procesa brizganja polimerov in mehanske lastnosti trdnejših kovinskih in nekovinskih materialov. V prispevku so pri- kazane osnovne značilnosti procesa, primerjava s konkurenčnimi tehnolo- gijami, značilne aplikacije, nekaj besed pa je namenjenih našemu delu v Laboratoriju za preoblikovanje na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani.
Boštjan Berginc Matjaž Rot
Slika 1: Zaporedje operacij PIM
cev. Tako nastane zeleni kos (angl. green body) s slabimi mehanskimi lastnostmi, a je hkrati dovolj trden za nadaljnjo obdela- vo. Zeleni kos je nato navadno podvržen odstranjevanju veziva, lahko pa je to že končni izdelek, na primer pri plastoma- gnetih, kjer se uporabljajo mešanice PA 12 oz. PPS in materiali redkih zemelj, kot so NdFeB.
Po odstranjevanju veziva nastane rjavi kos (angl. brown body), ki je zelo krhek zara- di majhne vsebnosti preostalega veziva. Z odstranjevanjem veziva se odstrani do 95 odstotkov veziva, ostanek pa zagotavlja povezavo med prašnatimi delci pred sin- tranjem, kjer se to vezivo pri višjih tempe- raturah uplini. Za zagotovitev dovolj velike trdnosti pred sintranjem se lahko rjavi kos predsintra pri nižjih temperaturah, kot je končna temperatura sintranja, tako da lah- ko rjavi kos premeščamo med pečmi.
Izdelek se med sintranjem krči od 12 do 25 odstotkov, saj se praznine med delci zaradi difuzijskih procesov, ki nastopijo pri viso- kih temperaturah, skoraj v celoti zapolnijo.
Rezultat je visoka končna gostota, od 95 do 99,9 odstotka teoretične gostote, odvi- sna pa je od materiala, oblike in velikosti delcev, mehanizmov sintranja, kemičnih dodatkov itn. Mehanske lastnosti sintranih kosov so zelo dobre in se lahko primerjajo z izdelki, ki so bili izdelani s konvencionalni- mi postopki predelave. Nanje lahko vpliva- mo že med sintranjem ali pa z naknadnimi toplotnimi in mehanskimi površinskimi obdelavami. Tehnologija PIM je primerna za doseganje visoke natančnosti oz. NNS – Near Net Shape, dosežene tolerance izde- lave pa so zelo odvisne od velikosti izdelka, kar je prikazano na Sliki 3. Tehnologija je primerna predvsem za velike serije maj- hnih izdelkov zapletenih oblik. Naknadne mehanske obdelave večinoma niso potreb-
140 Junij 9 II
neko vine
tehnologije brizganja
Slika 2: Avtomatizacija brizganja prašnatih materialov
ne, največkrat pa se uporabljajo postopki za izboljšanje videza površine, kot so pe- skanje, poliranje in brušenje. V Preglednici 1 so prikazani splošni kriteriji in lastnosti izdelkov MIM.
materialom, kot so berilij, svinec, mangan, magnezij, aluminij itn.
V Preglednici 2 so prikazane značilne velikosti prašnatih delcev za različne materiale. Prašnati delci karbidov in oksidov so velikokrat manjši od 1 μm, zato je treba z njimi ravnati posebno previdno, saj so v zraku, kar lahko povzroči bolezni dihal. Kovinski delci pa so nekoliko večji, ker je zaradi hitre oksidacije zelo težko izdelati mikronske delce. Za izdelavo magne- tov se uporabljajo delci, večji od 300 μm.
la. Pri mešanju različnih velikosti delcev pa se v praksi dosega začetne gostote več kot 72 odstotkov teoretične gostote, kar zaradi visoke viskoznosti mešanic lahko
Slika 3: Tolerance, dosežene s PIM
Preglednica 1: Splošni kriteriji za brizganje prašnatih materialov [1]
Materiali
Prednost brizganja prahu pred nekateri- mi konkurenčnimi tehnologijami je, da je možno predelovati vse materiale, ki jih je mogoče sintrati. Seznam je zelo dolg in med drugim zajema navadna, hitrorezna in nerjavna jekla, titan, karbidne trdine, vol- framove in železove zlitine (Fe-Ni, Fe-Si), zlitine na osnovi niklja, aluminija in kobal- ta, okside (Al203, Zr02), silikate Si3N4, bio- materiale, MMC itn. Izogibati se je treba le vnetljivim, strupenim in zelo reaktivnim
Preglednica 2: Priporočene velikosti delcev za materiale MIM [1]
Uporabljeni delci so lahko različnih oblik, za sam proces pa so najbolj pri- merni sferični delci, kar v praksi ni vedno mogoče, saj je oblika delcev odvisna od procesa izdelave (razprševanje, elektroli- za, kemični postopki itn.). Oblika delcev vpliva na krčenje in zvijanje izdelka, za- četno in končno gostoto, trdnost rjavega kosa, napake na izdelku, agregacijo del- cev itn. Pri naključni razporeditvi sferič- nih delcev znaša začetna gostota od 60 do 65 odstotkov teoretične gostote materia-
Slika 4: Na zgornji sliki je prah, ki je nastal s plinskim razprševanjem (gas atomization), na spodnji pa so prašnati delci, narejeni z vodnim razprševanjem (water atomization).
povzroči težave pri brizganju.
Bistveno za brizganje prahu je, da je dose- žena začetna gostota dovolj visoka (60 do 70 odstotkov teoretične gostote), ker se tako lahko izognemo prevelikemu skrčku po sintranju. V primeru velikih skrčkov je zelo težko dosegati ozke tolerance, po- leg tega pa je možnost, da pride do napak na izdelku, večja kot pri majhnih skrčkih.
Večja začetna gostota vpliva še na manj- šo porabo veziva, večjo trdnost rjavega in zelenega kosa ter boljše obvladovanje sintranja.
Vezivo
Naloga veziva je, da poveže prašnate delce in omogoči njihovo predelavo z brizganjem ter da daje oporo izdelku med celotnim procesom. Vezivo vpliva na aglomeracijo delcev, mešanje, reolo- gijo mešanice, brizganje, odstranjevanje veziva, dimenzijsko natančnost, napake in končno kemično sestavo izdelkov. Po navadi sta v mešanici dve ali več vrst ve- ziv, tako da se eno vezivo odstrani med odstranjevanjem veziva, drugo pa med sintranjem. S tem se zagotovi večja tr- dnost rjavemu kosu, ki nastane po od- stranjevanu veziva. Največ se uporabljajo termoplasti (PE, PA, PP, POM itn.) in voski (čebelji in parafi nski vosek), sledijo pa jim ostala veziva, duroplasti, sistemi, temelječi na vodi (agar, carrageenan), elastomeri (EVA), polimerni alkoholi, termoplastični voski itn. Poleg osnov- nega veziva se uporabljajo še lubrikanti, dodatki za kontrolo viskoznosti, dodat-
Lastnosti Minimalne Maksimalne Tipične
debelina s (mm) 0,2 25 10
variacije v debelini stene brez 100-krat 2-krat
dolžina l (mm) 2 1000 100
tolerance/odstopanje (%) 0,03 2,0 0,3
masa m (g) 0,02 20000 40
material elementi kompoziti zlitine
proizvodnja (kos/leto) 200 20,000,000 150,000
Material Velikost delcev
kovine < 30 μm, ~ 6–7 μm
karbidi < 1,5 μm, ~ 0,7 μm
silikati < 45 μm, ~ 5 μm
oksidi < 15 μm, ~ 0,75 μm
Junij 9 II 141
neko vine
tehnologije brizganja
ki za boljšo omočljivost površine prahu, utrjevalci itn.
Brizganje
Za brizganje kovinskega prahu so pri- merni klasični stroji za brizganje pla- stičnih materialov z ustreznimi modifi - kacijami na brizgalni enoti. Za serijsko proizvodnjo je potrebna zamenjava polža in cilindra, ker so mešanice abrazivne in bolj viskozne od polimernih materialov.
Polž in cilinder morata tako biti odpor- na proti obrabi, poleg tega pa je srednje, kompresijsko območje pri polžih za bri- zganje prahu nekoliko daljše, zadnje, ta- lilno pa krajše kot pri klasičnih polžih za termoplaste. Viskoznost mešanice je za- radi vsebnosti trdnih delcev višja kot pri polimerih, zato se material težje kompri- mira, povečajo se strižne sile, material pa
se začne pregrevati oziro- ma začnejo se spreminja- ti reološke in mehanske lastnosti materiala (Slika 5). Za brizganje kovin- skih prahov se uporablja- ta polž in cilinder, katerih površina je obrabno bolj odporna, za brizganje keramike pa se uporablja polž iz karbidne trdine in cilinder, v katerem je vlo- žek iz karbidne trdine.
Lahko se uporabljajo orod- ja s stranskim odpiranjem,
z odvijanjem, s toplimi kanali, dvo- in tri- ploščna orodja itn. Material za izdelavo orodja naj bi imel trdoto od 54 do 63 HRc, na tistih mestih, kjer je pričakovana veli- ka obraba (ostri prehodi) in so zahtevane ozke tolerance, se vstavlja vložke iz karbi- dne trdine. Uporabljajo se jekla z oznakami 1.23.43, 1.27.67, 1.28.42, ki se lahko kalijo, in jekli 1.27.64 ter 1.21.61, ki sta primerni za cementiranje in dosežeta trdoto do 62 HRc [1].
Priporočljiva je enakomerna debelina izdelka, kar pa ni pogoj. S tem se lahko delno izognemo ločevanju prahu od ve- ziva, zvijanju izdelka in neenakomerne- mu polnjenju orodne votline. Namesto odebeljenih delov je priporočljiva upo- raba reber. Zaradi razmeroma visokih cen kovinskih prahov mora biti izdelek konstruiran tako, da se porabi čim manj materiala [1]. Nezaželeni so tudi ostri ro- bovi, ki morajo biti zaokroženi za radiem
najmanj 0,3 mm. Na teh mestih pride do ločevanja prahu in veziva ali pa do nedo- litosti. Prah zaradi višjega vztrajnostnega momenta od veziva potuje v smeri za- četnega toka taline, potem ko talina že spremeni smer gibanja. Dolivni kanali za brizganje prahu so večji od kanalov za brizganje plastičnih mas, ker je toplo- tna prevodnost večja in se talina hitreje ohlaja.
Ostale tehnološke faze in konkurenč- ne tehnologije ter značilne aplikacije bomo obravnavali v avgustovski številki IRT3000.
1. R. M. German, A. Bose, (1997) Injec- tion Molding of Metals and Ceramics, Metal Powder Industries Federation, New Jersey
Slika 5: Razlika med standardnim polžem in polžem za PIM
