ייצור בהזרקת מתכת

הזרקת מתכת (באנגלית: Metal injection molding, בקיצור: MIM) הוא תהליך עיבוד מתכת, בו מערבבים אבקת מתכת עם אבקת חומר מלכד, התערובת הנוזלית מוזרמת לתבנית בתהליך הזרקה. התהליך מתאים לייצור חלקים מורכבים בכמויות גדולות. לאחר ההזרקה, החלק עובר פעולות גימור.

התהליך

התבניות
כאשר מכינים את התבניות לכמות גדולה של פריטים קטנים בכל הזרקה. יעילותו של התהליך הופכת את שיטת MIM לחסכונית עבור מוצרים קטנים ומסובכים בכמויות ייצור בסדרות גדולות. בשל מגבלות הציוד הנוכחיות, מיוצרים הפריטים לכמויות של 100 גרם או פחות לכל הזרקה לתבנית.

חומרי הגלם
חומרי גלם לתהליך MIM יכולים להיות מורכבים משפע של מתכות, אך הנפוצות ביותר הן פלדות אל חלד, הנמצאות בשימוש נרחב באבקות מתכת. לאחר ביצוע ההזרקה, עוברים הפריטים תהליך סינטור. הסינטור הוא תהליך מקובל במטלורגיית האבקות, בתהליך זה החלקים מוכנסים "לאפיה" בתנור בטמפרטורה קרובה לטמפרטורת ההיתוך של המתכת לפרק הזמן המוגדר, ובעקבות החימום נמס ומסולק החומר המלכד. בתהליך הסינטור המוצר מתכווץ ב-15% בכל ממדיו. תכונה זו מובאת בחשבון בתכנון התבניות לכל חלק.

היסטוריה
במונוגרפיה PO Gribovsky, שפורסמה בשנת 1956, מתוארת בפירוט הטכנולוגיה של הזרקה חמה (יציקה חמה) של מוצרי קרמיקה בלחץ ובמיוחד הוא מציין כי "טכנולוגיית יציקה בהזרקה חמה מספקת את היכולת לייצר מוצרים מכל החומרים המוצקים, החל ממינרלים טבעיים, תחמוצות טהורות, קרבידים, מתכות וכלה בחומרים סינתטיים מרוכבים מרובי רכיבים ושילובים שלהם". ד"ר ריימונד יישם טכנולוגיה זו לתהליך ייצור MIM (metal injection molding).

המשיך בפיתוח Wiech אשר שיכלל את הטכנולוגיה בשנות השבעים ומאוחר יותר רשם Wiech את תהליכו כפטנט, התהליך אומץ באופן נרחב לשימוש בייצור בשנות השמונים.

MIM זכתה להכרה במהלך שנות התשעים, כשיפורים בתהליכי הייצור אשר הביאו למוצר הסופי בפעולה אחת. בהשוואה לתהליכי ייצור מתחרים. טכנולוגיית MIM הורידה את עלויות הייצור באמצעות ייצור בנפח גבוה ל"צורה נטו", תוך מניעת צורך בפעולות נוספות יקרות, כגון עיבוד שבבי. בגלל ההתכווצות הרבה 15% יש לתהליך מגבלה בקבלת מידות מדויקות.

פירוט שלבי התהליך
שלבי התהליך כוללים: 
עירבוב של אבקות מתכת עם פולימרים כמו שעווה וחומר מלכד פוליפרופילן כדי לייצר את התערובת.

הזרקת החומר כנוזל לתבנית באמצעות מכונות הזרקת פלסטיק.

החלק היצוק או "החלק הירוק" מקורר ונפלט מהתבנית.

הסרת החומר המלכד - החומר המלכד מוסר באמצעות חומרים ממיסים, בתהליך קטליטי או שילוב של השיטות.

החלק שנוצר, שברירי ונקבובי (40 אחוז מנפח "אוויר"), ולכן הוא מועבר לסינטור בתנור באווירת מגן בטמפרטורה קרובה לטמפרטורת ההיתוך של החומר. כדי לאטום את החלקיקים באמצעות כוחות נימיים. שיעורי הדיפוזיה הגבוהים מובילים להתכווצות ועיבוי החומר. אם מבצעים אותו בוואקום, ניתן להגיע לצפיפות מוצק של 96-99%.

לפריטים הסופיים תכונות מכניות ופיזיקליות דומות כמו בייצור בשיטות עיבוד מתכת קלאסיות. וניתן לבצע עליהם תהליכים משלימים כגון טיפול תרמי, ציפוי, פסיבציה, חישול, וקרבוריזציה,

יתרונות התהליך 
היתרון הכלכלי בחלקים יצוקים בהזרקת מתכת טמון ביכולת לייצר חלקים מסובכים גאומטרית בפעולה אחת. אבקות החומרים המשמשים בתהליך MIM דומים למתכות בהם משתמשים בתהליכי עיבוד שבבי ובשיטות מתחרות אחרות,

דרישות תכנון נוספות שניתן ליישם בפעולת MIM כוללות הוספת קוד פריט, מס' חלק, סמלים, חותמות ותאריך.

החלקים מיוצרים למעשה בתהליך יציקה וללא עיבוד חומר נוסף, עובדה זו מקטינה את בזבוז החומר ואת עלותו.

היכולת לשלב מספר פעולות בתהליך אחד מבטיחה ש-MIM מצליחה לחסוך זמני לוואי בתהליך הייצור ומספקת יתרונות משמעותיים ליצרנים.

תהליך הזרקת מתכת עשוי להיות טכנולוגיה ירוקה עקב הפחתה משמעותית של בזבוז בהשוואה לשיטות ייצור "מסורתיות" כגון עיבוד שבבי CNC.

עם זאת, חלק מפעולות הגימור כמו סינטור, מייצרות פליטות רעילות כגון פורמלדהיד, עקב שריפת שעווה או פולימרים אחרים, מה שמוביל לפליטת גזי חממה.

היישומים
המוצרים הסופיים משמשים במגוון רחב של יישומים תעשייתיים, מסחריים, רפואיים, דנטליים, כלי ירייה, חלל, רכב. עם טולרנסים ממדיים של ± 0.3% ובדיוקים גבוהים יותר נדרש עיבוד שבבי נוסף לצורך השגת טולרנס מדויק יותר. MIM יכול לייצר חלקים שבהם קשה, או אפילו בלתי אפשרי, לייצר פריט ביעילות באמצעי ייצור אחרים.

לדוגמה פריט אופייני בגודל 25 מ"מ עם 75 מידות שונות ומסה של 10 גרם מיוצר בשיטה זו באופן מדויק ויעיל, עבור חלקים לשעונים, למכשירי סלולר, ולמחשבים ניידים. כאשר נידרש עוברים חלקים אלה פעולות נוספות כמו הוספת תבריגים וסימון, פעולות שאינן משפיעות משמעותית על עלות המוצר.

יש מגוון רחב של חומרים זמינים עבור תהליך MIM. חומרי הגלם מנוצלים מפסולת ושאריות מתהליך עיבוד שבבי של חומרים יקרים כגון קובלט, כרום, נירוסטה 17-4 PH, סגסוגות טיטניום וקרבידים של טונגסטן. מה שהופך את MIM לאופציה יעילה ביותר לייצור רכיבים המורכבים מסגסוגות יקרות מהחומרים הנ"ל.

MIM הוא אפשרות מועדפת כאשר יש דרישות תכנון לעובי דופן דק מאוד עד כדי 100 מיקרון.

היקף השוק
שוק ייצור פריטים בהזרקת אבקת מתכת צמח מ-9 מיליון דולר בשנת 1986, ל-382 מיליון דולר בשנת 2004 וליותר מ-1.5 מיליארד דולר בשנת 2015.

טכנולוגיה קשורה היא ייצור פריטים בהזרקת אבקת קרמיקה, מה שמוביל לסך מכירות של כ-2 מיליארד דולר. ועיקר הגידול בשנים האחרונות נרשם באסיה.

קישורים חיצוניים 
 אודות תהליך הייצור
 מהו ייצור בהזרקת מתכת?

הערות שוליים 

עיבוד מתכת
עיבוד מכני
תהליכי ייצור
הנדסת תעשייה
ייצור
מכונות
טכנולוגיה
הנדסת חומרים