Metal injection moulding

L’innovativa tecnica di formatura per iniezione di metalli merita un discorso a parte perche' e' una tecnica di produzione estremamente sofisticata che, nonostante gli elevati costi, negli USA e, in modo particolare, in Giappone si sta ritagliando notevoli fette nel mercato dei prodotti metallurgici.

Il processo MIM e' particolarmente indicato per la produzione di pezzi di piccola dimensione, di forma complessa, in lotti medio grandi.

La formatura e' ottenuta con i consueti sistemi di stampaggio per iniezione, ad alta velocita' di produzione e con minima difettosita'. I pezzi cosi' formati subiscono le fasi di deceratura, presinterizzazione e sinterizzazione ottenendo la dimensione definitiva, senza manipolazione alcuna. La lavorazione finale si conclude con una spazzolatura o una burattatura del pezzo.

A differenza dalla sinterizzazione tradizionale, il MIM utilizza una quantita' di legante elevata, polveri molto fini ed una tecnica di estrazione del legante estremamente accurata.

Le applicazioni meno pregiate utilizzano come materia primaria leghe Fe o Fe-Ni, poiche' questo tipo di polvere, che viene ottenuta per via chimica, e' estremamente fine e si mescola molto bene al legante, quindi si stampa e sinterizza senza difficolta'. Lo sviluppo piu' interessante riguarda la polvere di acciaio inossidabile prodotta con processo di atomizzazione.

La preparazione della materia prima e' la fase nella quale vengono miscelati in proporzione stabilita la polvere metallica e il legante (binder), in modo da ottenere un impasto omogeneo.

Le percentuali in volume dell’una o dell’altro variano secondo il tipo di polvere e del tipo di legante. In generale con miscele di polvere 55-65% e di legante 35-45% in volume.

Il binder e' in genere costituito da materiale organico oleoso o gelatinoso. Nel caso piu' comune si usa un legante termoplastico che viene dapprima miscelato a secco e successivamente a caldo, alla temperatura di fusione del polimero, per ottenere una dispersione ottimale della polvere metallica nella pasta. La percentuale in volume di polveri metalliche e' tale da ottenere una miscela che ha le caratteristiche di bassa viscosita' a caldo adatte allo stampaggio. La miscela viene quindi raffreddata e ridotta in granuli.

Va rilevato che rispetto alla dimensione al verde, cioe' quando il pezzo formato include ancora il legante, il prodotto finito ha una dimensione notevolmente piu' piccola; malgrado questa trasformazione e' possibile ottenere prodotti finiti calibrati e con elevato grado di accuratezze.

Lo stampaggio del pezzo avviene in maniera analoga a quanto si esegue per la produzione di articoli di materiale plastico.

Le caratteristiche della pressa sono le stesse delle presse per l’iniezione di termoplastici. Gli stampi sono realizzati in acciaio ad alta resistenza, data la velocita' di abrasione del materiale da stampare, e devono essere progettati considerando le caratteristiche di scorrimento e di deformazione del feedstock.

Dopo lo stampaggio il pezzo al verde e' relativamente fragile e richiede particolare attenzione per la manipolazione; la resistenza meccanica e' determinata solamente dal legante.

Il pezzo a questo stadio si presenta gia' con la forma desiderata ma con dimensioni maggiori di circa il 20%.

E’ un passaggio estremamente delicato del processo. Il legante contenuto nel feedstock deve essere eliminato nella piu' alta percentuale possibile (almeno al 90%) senza che questa operazione determini alcun rigonfiamento, deformazioni o frattura del pezzo al verde. Il legante residuo viene eliminato definitivamente durante la fase di sinterizzazione.

Gli sforzi fatti per abbreviare il ciclo di debinding sono andati nella direzione di incrementare nel legante la frazione volatile (bassofondente). Sfortunatamente una frazione elevata di bassofondente nel legante ha spiacevoli conseguenze nell’operazione di iniezione, si presenta, infatti, una segregazione tra legante e polvere metallica.

I primi provocano il bloccaggio dell’estrusore dell’iniettore perche' la lubrificazione diventa carente. Il risultato e' un cattivo riempimento della forma, perche' si riduce la pressione di iniezione. Se si usa un binder polimerico ad alto peso molecolare sciolto in olio, il binder stesso puo' segregare spurgando olio all’interfaccia. Si formano in seguito a cio' delle linee di saldatura che persistono anche nella fase di sinterizzazione, dando origine a piani di rottura.

La segregazione per forze centrifughe differenziali puo' avvenire durante l’iniezione se l’impasto e' forzato a cambiare direzione di flusso per la presenza, ad esempio, di un condotto curvo. Il binder e le particelle solide sono soggetti in tal caso, per la diversa densita', a differenti forze centrifughe che ne differenziano il percorso separando le particelle piu' pesanti verso la superficie esterna del condotto. Cio' determina tracce evidenti sul verde.

Entrambi i tipi di segregazione mostrano una dipendenza lineare, nella dimensione della segregazione, dalla viscosita' del legante stesso. Con i leganti convenzionali il metodo MIM presenta gravi difficolta' di esecuzione a meno di limitare gli spessori di parete a non piu' di 8 mm.

I procedimenti di debinding utilizzati differiscono secondo il legante impiegato.

Procedimento chimico: il processo avviene per trasformazione, tramite catalizzatore, di un polimero in un monomero gassoso. Viene scelto come legante, in questo caso, un etere di aldeide idratata che si decompone in aldeide e alcool. Il processo di delubrificazione procede dalla superficie verso l’interno del pezzo con una velocita' di circa 2 mm/h.
Procedimento fisico: si attua provvedendo ad innalzare la tensione di vapore del legante ed evaporandolo in vuoto. Il pezzo viene riscaldato in un forno a vuoto. Ad evitare che l’azione dei vapori, che fuoriescono dal pezzo, possa creare dei rigonfiamenti e' buona norma procedere con cautela nel ciclo di riscaldamento (normalmente si procede con un riscaldamento attorno ai 5 °C/min con piu' stasi prima della temperatura finale).

Il programma puo' proseguire, senza soluzione di continuita', dalla fase di debinding alle fasi di presinterizzazione e sinterizzazione successive. Le temperature si susseguono da quella ambiente a quella massima di sinterizzazione.

Le fasi di presinterizzazione e di sinterizzazione vengono eseguite su forni ad atmosfera controllata oppure su forni a vuoto.

Alla fine della prima fase di delubrificazione il pezzo ha subito una prima riduzione dimensionale.

In questa fase avviene la compattazione del materiale e l’acquisizione delle caratteristiche meccaniche e geometriche finali. In questa fase la porosita' presente nel pezzo viene quasi totalmente eliminata. Si riescono, infatti, a ottenere densita' finali pari a piu' del 95% della densita' teorica del materiale.

Grazie all’alta densita' finale sui componenti sinterizzati possono poi essere effettuati tutti i tipi di trattamenti (cementazioni, nitrurazione, ossidazioni, trattamenti termici) nonche' di lavorazioni meccaniche, comprese le lavorazioni estetiche come lucidature o finiture particolari.

A differenza del processo convenzionale di metallurgia delle polveri, l'uso nel MIM di polveri extrafini permette inoltre di raggiungere densita' assolutamente non ottenibili normalmente nel sinterizzato tradizionale a meno che non si ricorra a successivi trattamenti (es. infiltrazione, ripressatura, risinterizzazione). Tipicamente un prodotto MIM ha il 97% della densita' teorica (corrispondente a porosita' chiusa) mentre un sinterizzato convenzionale ha meno del 90% della densita' massima (corrispondente a porosita' aperta). Oltre alle ovvie ripercussioni sulle proprieta' meccaniche in generale e sulla duttilita' in particolare, cio' significa anche, ad esempio, che nel caso del MIM e' possibile, senza preparazioni specifiche della superficie, effettuare modificazioni superficiali (es. nitrurazione) direttamente con trattamenti da fase gassosa.

Ma dal punto di vista del disegnatore il processo MIM offre soprattutto un vantaggio: la possibilita' di realizzare geometrie anche molto complesse eliminando o riducendo al minimo le operazioni di lavorazione meccanica. In tal senso il MIM rappresenta un anello di congiunzione tra la liberta' progettuale dei polimeri e le prestazioni meccaniche superiori dei materiali metallici. Tra le possibilita' dovute alla formatura ad iniezione vi sono la realizzazione di fori ciechi o passanti su superfici anche tra loro ortogonali, di filetti interni ed esterni, di superfici curve non analitiche, di scritte in altorilievo o in bassorilievo, eccetera. La complessita' della forma da realizzare si riflette ovviamente nel costo dello stampo.
E’ normale ottenere tolleranze dell'ordine dell'1% delle misure nominali (0.01 mm x mm), e con tutti gli accorgimenti piu' opportuni anche dell'ordine dello 0.3% (0.003 mm x mm), direttamente dopo sinterizzazione. Sull'entita' effettiva delle tolleranze influiscono moltissimi fattori, come l'omogeneita' della miscela iniziale, la correttezza dell'operazione di stampaggio, ed altri ancora.
Le limitazioni sono invece di ordine tecnico ed economico.
Dal punto di vista tecnico a causa del processo di stampaggio e dei trattamenti termici e' bene limitare lo spessore delle pareti (meglio se sotto i 4 mm), evitare variazioni di spessore repentine, nonche'‚ peso e dimensione complessivi dei pezzi eccessivi. Infatti:

spessori elevati delle pareti rendono difficile, delicato, lungo e potenzialmente rischioso per l'integrita' dei componenti l'eliminazione del legante durante il deceraggio;
il peso totale elevato puo' comportare, a meno di accorgimenti particolari, gravi deformazioni dei componenti durante le fasi sia di deceraggio sia di sinterizzazione;
grandi dimensioni rendono eccessivamente larghe le tolleranze: ad esempio, su 100 mm l'1% significa 1 mm, e lo 0,3% significa 0.3 mm, per cui minori sono le dimensioni del pezzo piu' agevole e' rientrare nelle tolleranze progettuali.

Dal punto di vista economico a causa dell'alto costo delle materie prime (polveri metalliche estremamente fini) e del costo degli stampi e' bene concentrarsi su componenti di basso peso (meglio se sotto i 10 grammi) e di grande numerosita'.