Was ist der Unterschied zwischen CNC und MIM?

Im letzten Quartal schickte uns ein Hersteller medizinischer Geräte ein Teil, das er drei Jahre lang bearbeitet hatte. Edelstahlhalterung, 47 Funktionen, 23 $ pro Stück, 60.000 Einheiten jährlich. Sie wollten wissen, ob MIM ihre Kosten senken könnte.

 

Wir haben die Analyse durchgeführt. MIM-Werkzeuge würden 52.000 US-Dollar kosten. Die Kosten pro-Stück würden auf 4,20 $ sinken. Erreichen Sie die Gewinnschwelle bei 2.766 Einheiten, sodass sich die Werkzeuginvestitionen bereits im ersten Produktionsmonat amortisieren und danach jährlich 1,1 Millionen US-Dollar einsparen.

 

Sie haben nicht gewechselt.

 

Die Halterung hatte zwei Bohrungen, die für den Lagerpresssitz ±0,02 mm erforderten. MIM bei ±0,3 % bei diesen 18-mm-Merkmalen würde ±0,054 mm ergeben, fast dreimal zu locker. Wir könnten den Körper im MIM-Verfahren herstellen und die Bohrungen per CNC-bearbeiten, aber dieser Hybridansatz kostete 7,80 $/Stück. Spart immer noch Geld, aber nicht die dramatische Reduzierung, die sie wollten.

Toleranz

Hier scheitern die meisten MIM-Projekte. MIM-Toleranzskalen als Prozentsatz, ±0,3 % Standard, ±0,1 % optimiert. Ingenieure sehen ±0,3 % und denken „eng“. Auf kleine Features trifft es zu.

CNC hält absolute Toleranz ein. MIM skaliert mit der Größe. Diese 50-mm-Bohrung bei ±0,05 mm? Ohne Sekundärbearbeitung kommt MIM nicht ans Ziel.

Aber wenn die Toleranzen eingehalten werden, sind die Einsparungen real. Das chirurgische Instrumentenprogramm von Spine Wave ist der Fall, auf den wir uns am häufigsten beziehen, da die Zahlen öffentlich sind und die Geschichte vollständig ist. Sie kamen mit einer Versandsicherungskomponente für das Spinalfusionsgerät Velocity® zu ihrem MIM-Lieferanten. Die Bearbeitung des Teils kostete 18 US-Dollar pro Stück, was für ein medizinisches Bauteil nicht übertrieben ist, aber es wurden 75.000 Einheiten pro Jahr benötigt. Jährliche Bearbeitungsausgaben: 1,35 Millionen US-Dollar.

Die MIM-Evaluierung dauerte vier Monate. Die Werkzeugkosten betrugen 38.000 US-Dollar. Bei den ersten Artikeln waren zwei Anpassungen des Sinterzyklus erforderlich, um die Dimensionsspezifikationen zu erreichen. Die Kosten pro-Stück beliefen sich auf 2,80 $. Gesamtsumme im ersten Jahr: 248.000 US-Dollar inklusive Werkzeugabschreibung. Sie haben im ersten Jahr über eine Million Dollar gespart. Bis zum dritten Jahr überstiegen die kumulierten Einsparungen 3,2 Millionen US-Dollar.

Verfahren

MIM ist eine Folge von Transformationen. Metallpulver mit einem Durchmesser von 2 bis 20 Mikrometern wird mit thermoplastischem Bindemittel zu etwa 60 Volumenprozent Pulver und 40 Volumenprozent Bindemittel vermischt. Beim Einspritzen verhält sich die Mischung wie Kunststoff. Es fließt in Formhohlräume und verfestigt sich zu „Grünteilen“, die korrekt aussehen, aber keine strukturelle Integrität aufweisen.

Der grüne Teil wird einer Entbinderung, thermischen Zersetzung oder Lösungsmittelextraktion unterzogen, um das Polymer zu entfernen. Übrig bleibt ein „brauner Teil“: durch Reibung und restliches Bindemittel zusammengehaltenes Metallpulver. Zerbrechlich genug, um zu zerbröckeln, wenn Sie falsch damit umgehen.

Der braune Teil gelangt in einen Sinterofen, der bei 85-95 % des Schmelzpunkts der Legierung läuft. Über einen Zeitraum von 15 bis 20 Stunden werden die Pulverpartikel durch Festkörperdiffusion miteinander verbunden. Das Teil schrumpft in allen Dimensionen um 15–20 %, da die Porosität abnimmt und die Dichte zunimmt. Ein mit 60 mm geformtes Teil kommt mit 48–51 mm aus dem Sintern.

Die Schrumpfung ist insgesamt vorhersehbar, aber nicht vollkommen gleichmäßig. Die Schwerkraft wirkt sich je nach Ausrichtung des Ofens unterschiedlich auf die Teile aus. Die Massenverteilung beeinflusst die lokalen Schrumpfungsraten. Variationen in der Wandstärke führen zu einer unterschiedlichen Schrumpfung, die zu Verformungen der Teile führt.

Wir haben gesehen, dass Teile mit den richtigen Maßen aus dem Sintern kamen und Teile aus derselben Form verdreht herauskamen, weil jemand die Ofenwanne falsch beladen hatte. So etwas kommt häufiger vor, als die Lieferanten zugeben möchten. Die Entwicklung von Sintervorrichtungen, Stützen, die die Teilegeometrie während des stundenlangen thermischen Zyklus halten, ist Ingenieursarbeit und keine Ware. Lieferanten ohne Erfahrung mit geometrisch ähnlichen Teilen werden auf Ihre Kosten die Vorrichtungsentwürfe durchgehen.

Die Misserfolge

Die Atmosphärenkontrolle im Sinterofen bestimmt, ob Ihr Material tatsächlich den Spezifikationen entspricht. Edelstähle benötigen eine Wasserstoff- oder Vakuumatmosphäre. Eine falsche Atmosphäre oder eine Verunreinigung der Atmosphäre durch einen verschmutzten Ofen führen dazu, dass Chrom von der Oberfläche abwandert. Die Teile sehen gut aus. Maße checken. Die Korrosionsbeständigkeit wird jedoch zerstört, da das Chrom an der Oberfläche verbraucht wird. Wir haben eingehende MIM-Teile von anderen Lieferanten abgelehnt, die die Maßprüfung bestanden, aber den Salzsprühtest in weniger als 100 Stunden nicht bestanden haben.

MIM-Teile behalten eine Porosität von 1–4 %. Diese Hohlräume fangen alle in Ihrer Umgebung vorhandenen Verunreinigungen ein: Bearbeitungskühlmittel, Schneidöl, Luftfeuchtigkeit.

Wir hatten vor zwei Jahren einen Kunden, der MIM für Strukturhalterungen zur Kostenreduzierung spezifizierte. Acht Monate lang lief die Produktion reibungslos. Dann versuchte ihr Außendienstteam, während der Gerätereparatur eine Halterung zu schweißen.

Die Schweißung ist fehlgeschlagen. Wiederholt.

Eingeschlossene Verunreinigungen, die durch das Schweißbad verdampften, führten zu Porosität und Einschlüssen, die die Integrität der Verbindung zerstörten. Sie mussten einen neuen CNC-Lieferanten für Ersatzteile qualifizieren. Die „Kosteneinsparungen“ durch MIM führten zu Notfallbeschaffungskosten, Verzögerungen beim Außendienst und einem Problem mit der Kundenbeziehung.

Wenn Ihre Teile jemals geschweißt werden müssen, sei es für die Montage, Reparatur oder Modifikation vor Ort, wird MIM disqualifiziert.

Müdigkeit ist ein weiteres Thema, zu dem wir immer wieder Fragen bekommen. Geschmiedetes Stangenmaterial mit 100 % Dichte und gleichmäßiger Kornstruktur. MIM sintert zu einer Dichte von 96-99 % mit verteilter Mikroporosität. Die statische Festigkeit ist gleichwertig. Wir haben 17-4PH MIM-Teile anhand der Schmiedespezifikationen getestet und sie stimmen hinsichtlich Zugfestigkeit, Streckgrenze und Härte überein.. 17-4PH H900 läuft bei 1070–1190 MPa UTS, 970–1090 MPa Streckgrenze, 35–40 HRC. 316L erreicht mindestens 520 MPa mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, wenn die Sinteratmosphäre richtig kontrolliert wird. Aber diese Mikroporen wirken bei zyklischer Belastung als Spannungskonzentratoren. Bei Teilen mit 10^7+ Zyklen, rotierenden Wellen, vibrationsbelasteten Halterungen und allem, was Resonanzprobleme hat, übertrifft das bearbeitete Material MIM. Durch heißisostatisches Pressen kann die Porosität geschlossen und die Ermüdungsleistung wiederhergestellt werden, allerdings fallen dadurch 10–25 US-Dollar pro Teil an.

Oberflächenbeschaffenheit: MIM im -gesinterten Zustand erreicht Ra 0,8–1,6 μm und ist glatter als Standard-CNC mit Ra 3,2 μm. Die Dichte beträgt 96–99 % bzw. 99 %+ mit HIP. Standards, wenn Sie sie brauchen: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.

Volumen

Break-even-Formel: MIM-Werkzeugkosten dividiert durch Einsparungen pro Stück. Eine Form im Wert von 40.000 US-Dollar mit einer Ersparnis von 14 US-Dollar pro Stück erreicht bei 2.857 Einheiten die Gewinnschwelle. Über diesem Volumen hinaus spart jedes Teil 14 US-Dollar. Bei einem Jahresvolumen von 50.000 sind das 700.000 US-Dollar pro Jahr.

Nur etwa die Hälfte der von uns angebotenen MIM-Formen gehen jemals in Produktion. Konstruktionsänderungen nach Beginn der Werkzeugbereitstellung kosten 2.000 bis 15.000 US-Dollar pro Änderung. Programme, die Kostenreduzierung vor Designstabilität anstreben, zahlen am Ende doppelt für die Werkzeuge.

CNC bearbeitet alles, was Sie aufspannen können. Aluminium, Titan, Inconel, Messing, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, keine Einschränkungen über die Bearbeitbarkeit hinaus. Die Auswahl des MIM-Materials hängt von etablierten Rohstoffformulierungen ab. Rostfreie Stähle machen 50–57 % der weltweiten MIM-Produktion aus. 316L für Korrosionsbeständigkeit, 17-4PH für Festigkeit, 420 für Verschleiß. Niedriglegierte Stähle (4140, 4340, Fe-2Ni) für Wärmebehandlung oder magnetische Eigenschaften. Werkzeugstähle M2 und H13 für Verschleißfestigkeit, allerdings erfordert die Kohlenstoffkontrolle beim Sintern eine sorgfältige Prozessentwicklung. Titan Ti-6Al-4V für Medizin und Luft- und Raumfahrt, unter Vakuum gesintert. Was nicht funktioniert: Aluminium, Kupferlegierungen, reine Metalle.

Materialausnutzung: Die CNC wandelt 20–50 % Ihres Rohlings in Teile um, der Rest wird zu Spänen. Komplexe Teile können 70–80 % verschwenden. Die MIM-Rohstoffausnutzung liegt bei 95–97 % bei Angussrecycling. Bei einem Titanpreis von 60 $/kg verschwendet ein Teil, das aus 180-g-Blöcken auf 40-g-Finish bearbeitet wird, 140 g Material, d. h. 8,40 $ an Ausschuss, bevor ein einziger Span geschnitten wird. MIM stellt dieses Teil aus etwa 42 g Ausgangsmaterial her.

Wenn es funktioniert

MIM gewinnt, wenn Sie über komplexe Geometrien verfügen, die mehrere CNC-Operationen erfordern. Interne Merkmale, Hinterschnitte, dünne Wände, Merkmale, die eine 5-Achsen-Bearbeitung oder EDM erfordern würden. Teile, bei denen die Bearbeitungskosten zwischen 25 und 50 US-Dollar pro Stück liegen, werden im MIM oft mit weniger als 5 US-Dollar pro Stück angegeben.

AFTs Turboladerschaufelprogramm: 180+ Millionen Teile für BMW, Ford, Tesla, Caterpillar produziert. Tragflächenprofile halten ±0,015 mm und sind durch optimierte Werkzeuge und Prozesskontrolle enger als Standard-MIM. . 20 % Kostenreduzierung im Vergleich zu Präzisionsguss bei Automobilvolumina. Dokumentiert auf pim-international.com. Dieses Programm erforderte jahrelange Entwicklungsinvestitionen, nicht etwas, das man in einem Zeitrahmen von sechs Monaten replizieren kann.

CNC gewinnt bei Aluminium- und Kupferteilen, engen {0}Toleranzmerkmalen unter ±0,1 %, Anwendungen, die Schweißbarkeit erfordern, Programmen, die eine vollständige Materialrückverfolgbarkeit erfordern (Luft- und Raumfahrt, Nukleartechnik), Teilen mit einem Jahresvolumen von weniger als 5.000 Stück und Geometrien, die effizient bearbeitet werden können. Einfache Drehteile auf CNC-Drehmaschinen rechtfertigen möglicherweise nie die Verwendung von MIM-Werkzeugen, unabhängig vom Volumen.

Hybrid funktioniert, wenn Sie MIM-Wirtschaftlichkeit bei komplexer Geometrie benötigen, aber Funktionen haben, die CNC-Präzision erfordern. MIM den Körper, bearbeite die kritischen Bohrungen.