El moldeo por inyección de metal ( MIM ) es un proceso de trabajo de metales en el que el metal finamente pulverizado se mezcla con material aglutinante para crear una "materia prima" que luego se moldea y solidifica mediante moldeo por inyección . El moldeo por inyección de metal combina las características más útiles de la pulvimetalurgia y el moldeo por inyección de plástico para facilitar la producción de componentes metálicos pequeños y de formas complejas con propiedades mecánicas excepcionales. [1] El proceso de moldeo permite moldear piezas complejas de gran volumen en un solo paso. Después del moldeo, la pieza se somete a operaciones de acondicionamiento para eliminar el aglutinante (desaglutinante) y densificar los polvos. Los productos terminados son componentes pequeños que se utilizan en muchas industrias y aplicaciones.
El comportamiento de la materia prima MIM está gobernado por la reología , el estudio de lodos, suspensiones y otros fluidos no newtonianos.
Debido a las limitaciones actuales de los equipos, los productos [ a partir de? ] deben moldearse utilizando cantidades de 100 gramos o menos por "inyección" en el molde. Esta inyección se puede distribuir en múltiples cavidades, lo que hace que el MIM sea rentable para productos pequeños, intrincados y de gran volumen, que de otro modo serían costosos de producir. La materia prima MIM puede estar compuesta por una gran cantidad de metales, pero los más comunes son los aceros inoxidables, ampliamente utilizados en la metalurgia de polvos . Después del moldeo inicial, se elimina el aglutinante de la materia prima y las partículas metálicas se unen por difusión y se densifican para lograr las propiedades de resistencia deseadas. La última operación generalmente encoge el producto en un 15% en cada dimensión.
El mercado del moldeo por inyección de metales ha crecido de 9 millones de dólares en 1986 a 382 millones de dólares en 2004 y a más de 1.500 millones de dólares en 2015. Una tecnología relacionada es el moldeo por inyección de polvo cerámico, que genera unas ventas totales de unos 2.000 millones de dólares. La mayor parte del crecimiento en los últimos años se ha producido en Asia. [2]
En la monografía PO Gribovsky, publicada en 1956, se describe en detalle la tecnología de fundición en caliente (moldeo en caliente) de productos cerámicos bajo presión (ahora, Low Pressure Powder Injection Molding) y, en particular, se señala que "la tecnología de fundición en caliente proporciona la capacidad de fabricar productos a partir de cualquier material sólido, desde minerales naturales, óxidos puros, carburos, metales, etc., hasta materiales sintéticos compuestos multicomponentes y sus combinaciones". [3] Esta indicación de la posibilidad de la fundición MIM, que fue implementada por el Dr. Raymond E. Wiech Jr. en la década de 1970, quien refinó la tecnología MIM como cofundador de una empresa de California llamada Parmatech, cuyo nombre se condensó a partir de la frase "tecnología de materiales de partículas". [4] Wiech más tarde patentó [5] su proceso, y fue ampliamente adoptado para su uso en la fabricación en la década de 1980.
La tecnología MIM ganó reconocimiento a lo largo de la década de 1990, ya que las mejoras en los procesos de acondicionamiento posteriores dieron como resultado un producto final con un rendimiento similar o mejor que los obtenidos mediante procesos de la competencia. La tecnología MIM mejoró la rentabilidad mediante la producción en gran volumen hasta obtener una "forma neta", lo que eliminó operaciones adicionales costosas como el mecanizado, aunque la tecnología MIM es débil en términos de especificaciones dimensionales estrictas.
Los pasos del proceso implican la combinación de polvos metálicos con polímeros como cera y aglutinantes de polipropileno para producir la mezcla de "materia prima" que se inyecta como líquido en un molde utilizando máquinas de moldeo por inyección de plástico. La pieza moldeada o "verde" se enfría y se expulsa del molde. A continuación, se elimina una parte del material aglutinante utilizando disolvente, hornos térmicos, proceso catalítico o una combinación de métodos. La pieza resultante, frágil y porosa (40 por ciento en volumen de "aire"), se encuentra en una condición llamada etapa "marrón". Para mejorar el manejo, a menudo el desaglomerado y la sinterización se combinan en un solo proceso. La sinterización calienta el polvo a temperaturas cercanas al punto de fusión en un horno de atmósfera protectora para densificar las partículas utilizando fuerzas capilares en un proceso llamado sinterización . Las piezas MIM a menudo se sinterizan a temperaturas casi lo suficientemente altas como para inducir la fusión parcial en un proceso denominado sinterización en fase líquida. Por ejemplo, un acero inoxidable puede calentarse a entre 1350 y 1400 °C (2460 y 2550 °F). Las tasas de difusión son altas, lo que genera una alta contracción y densificación. Si se realiza al vacío, es común alcanzar una densidad sólida del 96 al 99 %. El metal del producto final tiene propiedades físicas y mecánicas comparables con las piezas recocidas fabricadas con métodos clásicos de metalistería. Los tratamientos térmicos posteriores a la sinterización para MIM son los mismos que con otras rutas de fabricación, y con alta densidad, el componente MIM es compatible con los tratamientos de acondicionamiento del metal, como el enchapado , la pasivación , el recocido, la carburación, la nitruración y el endurecimiento por precipitación.
La ventana de ventaja económica en las piezas moldeadas por inyección de metal reside en la complejidad y el volumen de las piezas de tamaño pequeño. Los materiales MIM son comparables al metal formado por métodos competitivos, y los productos finales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones industriales, comerciales, médicas, dentales, de armas de fuego, aeroespaciales y automotrices . Las tolerancias dimensionales de ±0,3% son comunes y se requiere mecanizado para tolerancias más estrechas. MIM puede producir piezas en las que es difícil, o incluso imposible, fabricar de manera eficiente un artículo a través de otros medios de fabricación. Lo ideal es al menos 75 especificaciones dimensionales en un componente de solo 25 mm de tamaño máximo y 10 g de masa, como, por ejemplo, lo necesario para cajas de relojes, enchufes de teléfonos celulares y bisagras de computadoras portátiles. El aumento de los costos de los métodos de fabricación tradicionales inherentes a la complejidad de las piezas, como roscas internas/externas, miniaturización o marcado de identidad, generalmente no aumenta el costo en una operación MIM debido a la flexibilidad del moldeo por inyección.
Otras capacidades de diseño que se pueden implementar en la operación MIM incluyen códigos de producto, números de piezas o sellos de fecha; piezas fabricadas según su peso neto, lo que reduce el desperdicio y los costos de material; densidad controlada entre el 95 y el 98 %; fusión de piezas y geometrías 3D complejas. [6]
La capacidad de combinar varias operaciones en un solo proceso garantiza que el MIM tenga éxito en el ahorro de tiempos de entrega y costos, lo que brinda beneficios significativos a los fabricantes. El proceso de moldeo por inyección de metal puede ser una tecnología ecológica debido a la reducción significativa de desperdicios en comparación con los métodos de fabricación "tradicionales", como el mecanizado CNC de 5 ejes. Sin embargo, algunas de las operaciones más antiguas generan emisiones tóxicas como formaldehído, eliminan solventes clorados y deben quemar cera u otros polímeros, lo que genera emisiones de gases de efecto invernadero.
Existe una amplia gama de materiales disponibles cuando se utiliza el proceso MIM. Los procesos tradicionales de trabajo de metales a menudo implican una cantidad significativa de desperdicio de material, lo que hace que MIM sea una opción altamente eficiente para la fabricación de componentes complejos que consisten en aleaciones costosas/especiales ( cobalto-cromo , acero inoxidable 17-4 PH , aleaciones de titanio y carburos de tungsteno ). MIM es una opción viable cuando se requieren especificaciones de paredes extremadamente delgadas (es decir, 100 micrómetros). Además, los requisitos de blindaje contra interferencias electromagnéticas han presentado desafíos únicos, que se están logrando con éxito mediante el uso de aleaciones especiales ( ASTM A753 Tipo 4). [7]
Aunque MIM tiene muchas ventajas, también tiene desventajas: