Des clients sont venus nous voir avec des projets d'outillage MIM après avoir été brûlés ailleurs. Un équipementier automobile a passé huit mois à développer un composant d'engrenage avec un fournisseur qui ne comprenait pas la compensation du retrait par frittage. L'outillage a produit des pièces sous-dimensionnées de 0,4 mm dans toutes les dimensions critiques. Il leur fallait recommencer. Cette expérience nous a appris que la plupart des échecs de gestion de projet remontent à des principes fondamentaux que quelqu'un a négligés ou supposés pouvoir résoudre.
Comment ça marche
Pour les presses conventionnelles-et-les PM frittés, vous avez affaire à une poudre d'environ 50 microns. Assez grossier pour voir si vous regardez attentivement. Les presses hydrauliques appliquent 150 à 700 MPa pour compacter cette poudre dans des matrices rigides. Ce qui en ressort est appelé un pacte « vert ». Il conserve sa forme grâce à un verrouillage mécanique mais n’a pas encore de réelle résistance. La densité se situe entre 60 et 90 % de la densité théorique.
Le frittage a lieu dans des fours à atmosphère contrôlée. Les matériaux à base de fer-sont à environ 1 120 degrés. Les aciers inoxydables nécessitent des températures plus élevées, généralement de 1 250 à 1 400 degrés. Au cours de cette étape, les atomes diffusent au-delà des frontières des particules. La pièce se densifie et rétrécit légèrement, généralement de 0,1 à 0,3 %.
MIM est un animal différent.
La poudre est beaucoup plus fine, environ 8 microns, mélangée à des liants polymères pour créer une matière première qui se comporte comme du plastique lors de l'injection. Cette matière première est injectée dans des moules à 50-200 MPa. Après le moulage, vous retirez le liant par des procédés thermiques ou solvants, puis frittez. Le retrait pendant le frittage MIM est de 15 à 20 %. Manquez cela dans la conception de votre outillage et vous aurez de la ferraille.
Une chose qui surprend les équipes d'approvisionnement : la poudre MIM coûte 3 -5 fois la poudre PM conventionnelle. Les processus d’atomisation des gaz et de décomposition du carbonyle requis pour les fines particules sphériques sont coûteux. Ce coût apparaît dans chaque devis, et certains fournisseurs n'expliquent pas pourquoi leurs devis MIM sont tellement plus élevés que les alternatives de pressage-et de frittage pour des pièces apparemment similaires.
MIM vs Presse-et-Sinter
| MP conventionnelle | MIM | |
|---|---|---|
| Poids partiel | 0,68g à 6,8kg | Moins de 50g typique, 150g max |
| Densité | 85-92% | 95-99% |
| Mur le plus fin | Environ 2mm | 0,3 mm possible |
| Tolérance | ±0.3-0.5% | ±0,3 % ou mieux |
| Géométrie | Surtout en 2D | Contre-dépouilles, filetages, trous transversaux- |
| Outillage | $2,000-$10,000 | $10,000-$50,000 |
| Seuil de rentabilité-de volume | 5 000/an | 10 000/an |
La limitation du PM conventionnel vient de la direction de pression. Vous appliquez une force axiale, les entités perpendiculaires à cet axe sont donc difficiles. Des fils internes ? Cela n'arrive pas. Les trous transversaux- nécessitent un usinage secondaire.
MIM supprime ces contraintes mais en ajoute de nouvelles. Les pièces de plus de 150 g rencontrent des difficultés de déliantage. Une variation de l'épaisseur de paroi au-delà de ± 40 à 60 % provoque un gauchissement qu'il est presque impossible de corriger pendant le frittage.
L'année dernière, un client nous a demandé une pièce MIM de 200 g avec un rapport d'épaisseur de paroi de 4:1. Nous leur avons dit que cela ne marcherait pas. Ils se sont quand même adressés à un autre fournisseur, ont dépensé 45 000 $ en outillage et sont revenus six mois plus tard après avoir abandonné le projet. Certaines géométries ne conviennent tout simplement pas à MIM, quelles que soient les promesses d'une équipe commerciale affamée.
Contre d'autres méthodes de fabrication
PM gagne sur l’utilisation des matériaux. Vous utilisez 95 à 97 % du matériel d'entrée. L'usinage CNC convertit peut-être la moitié de votre stock en copeaux.
Un engrenage de pompe à huile pour véhicule utilitaire que nous avons cité contre l'usinage représentait 32 % du coût d'usinage. Les économies de 68 % provenaient presque entièrement des matériaux et du temps de cycle.
Mais l'usinage présente des avantages que PM ne peut pas toucher. Des tolérances de ±0,01 mm sont courantes. N'importe quel matériel que vous voulez. Des quantités prototypes qui ont un sens économique. En dessous d'environ 1 000 unités par an, les calculs favorisent généralement l'usinage, même pour les géométries que PM gère bien.
Le moulage sous pression gagne pour les pièces simples de plus grande taille où le temps de cycle augmente les coûts. PM offre un meilleur contrôle microstructural et une porosité intentionnelle lorsque vous en avez besoin pour des roulements ou des filtres.
Le forgeage produit des pièces plus solides. Résistance à la traction environ 26 % plus élevée pour des alliages équivalents, porosité proche de -nul, alignement du flux de grains qui améliore la durée de vie en fatigue. Nous avons vu des clients spécifier des PM pour des applications qui avaient vraiment besoin d'être forgées, puis faire face à des pannes sur le terrain.
Concernant les propriétés mécaniques : l'acier PM atteint une résistance à la traction de 900 MPa lorsqu'il est-fritté, et de 1 200 MPa après traitement thermique. MIM 316L à 97 % de densité fonctionne entre 520 et 650 MPa avec un allongement de 35 à 50 %. Proche des propriétés forgées mais pas identiques.
Applications
Les composants de transmission automobile dominent le volume de particules. GKN fournit des pièces pour les transmissions Ford F-150 10-vitesse et GM 9-vitesses. MPIF documente plus de 750 applications automobiles PM (mpif.org). La teneur en particules par véhicule est d'environ 25 kg pour les camions, tombant à environ 2,3 kg pour les véhicules électriques à batterie à mesure que les transmissions se simplifient.
Les dispositifs médicaux privilégient le MIM. Les mâchoires d'agrafeuses chirurgicales fabriquées sous forme de composants MIM-d'une seule pièce ont remplacé les assemblages qui nécessitaient auparavant 12 pièces usinées.
L'électronique grand public a stimulé la croissance des volumes de MIM au cours de la dernière décennie. Le connecteur Lightning d'Apple permettait de produire des dizaines de millions de MIM par semaine. La charnière OPPO Find N2 Flip comprend 136 pièces, dont de nombreuses MIM.
L'aérospatiale utilise les PM pour des applications extrêmes. La fabrication additive à base de poudre-de GE pour les injecteurs de carburant permet une réduction de poids de 25 %. Les disques de turbine chez Rolls-Royce utilisent des superalliages PM pour les composants rotatifs critiques du vol-.
Ce qui fait trébucher les gens
Un machiniste nous a appelé après que son atelier ait eu des difficultés avec une pièce PM pendant trois semaines. Il l'a décrit comme « un usinage par abrasion pure ». La pièce testée avec une dureté raisonnable mais a rongé l'outillage standard. Il s'avère que les PM peuvent contenir des particules très dures dispersées dans la matrice que les tests de dureté en vrac ne révèlent pas.
Sa solution : des robinets à revêtement TiN-, sans liquide de refroidissement. Les copeaux secs ne collent pas à la porosité. Il gérait les pièces PM de cette façon depuis vingt ans avec des résultats constants.
Du côté du contrôle qualité, un débat est en cours dans les industries qui utilisent largement le MIM. Un machiniste à qui nous avons parlé l'a dit sans détour : le processus fonctionne bien, mais la qualité dépend entièrement de l'atelier qui le gère. Les bons fournisseurs produisent des pièces cohérentes. Les mauvais fournisseurs se cachent derrière la « variabilité inhérente » comme excuse.
Nous avons vu cela se dérouler. Un client a changé de fournisseur MIM pour économiser 12 % par pièce. Le taux de rejet est passé de 0,3% à 4,2%. Les économies ont disparu dans les coûts de tri et les retards de production.
Lors de l’évaluation des fournisseurs MIM, demandez des données Cpk sur les dimensions critiques. Renseignez-vous sur la surveillance-du processus. Vérifiez que les certifications correspondent à votre secteur d'activité. IATF 16949 pour l'automobile. AS9100D pour l'aérospatiale. ISO 13485 pour le médical.
Détails de l'approvisionnement
Les délais de livraison sont de 6 à 12 semaines pour l'outillage. Ajoutez 1 à 2 semaines pour le PPAP sur les travaux automobiles. Les premiers articles nécessitent 8 à 14 semaines à compter de la sortie de la conception. Commandes répétées : 4 à 8 semaines MIM, 2 à 4 semaines pour les pièces PM établies.
Les contraintes de conception comptent. L'épaisseur de paroi MIM fonctionne mieux entre 1,0 et 3,0 mm. Minimum 0,5 mm, maximum environ 12,5 mm. Gardez les variations entre ± 40 et 60 %. Les coins nécessitent un rayon de 0,5 mm pour l'écoulement de la poudre.
Pourquoi nous écrivons ceci
Nous construisonsmoules à injection. L'outillage MIM s'inscrit dans cette capacité, et les exigences de précision reflètent ce que nous traitons pour les applications exigeantes d'injection plastique. Lorsque les clients demandent si le MIM est adapté à leur géométrie, nous abordons les mêmes considérations abordées ici.
Nous avons refusé des projets qui ne correspondaient pas à la technologie. Nous préférons perdre un devis plutôt que de voir un client dépenser six chiffres pour un outillage incapable de produire des pièces acceptables.
Si vous évaluez PM pour une application, nous examinerons votre conception avant de vous engager dans l'outillage. Aucun frais pour l’évaluation de faisabilité. La conversation dure généralement trente minutes et porte sur la question de savoir si la géométrie fonctionne, quelles tolérances sont réalistes et si le volume justifie l'investissement.
Références techniques : MPIF (mpif.org), Mordor Intelligence (mordorintelligence.com)