بررسي استفاده از روش تزريق پودر درون قالب Metal Ingection Molding در توليد قطعات خودرو

روش تزريق پودر درون قالب، راه حلي مناسب براي توليد قطعات بسيار پيچيده و حساس است كه به دقت ابعادي بسيار بالايي نياز دارد. از اين روش، اغلب در توليد قطعات كوچك با تيراژ توليد سالانه بين10 هزار تا 2 ميليون قطعه استفاده مي‌شود. البته اين روش به توليد قطعات كوچك محدود نمي‌شود و مي‌توان از آن در توليد قطعات حجيم با وزن تقريبي 1 تا 2 كيلوگرم كه پيچيده بوده و نيازمند دقت ابعادي بالاست، استفاده كرد. از اين روش، مي‌توان در توليد اجزاي مختلف خودرو نظير حسگرهاي اكسيژن، اجزاي الكترونيكي و اجزاي مختلف موتور استفاده كرد كه به دليل تيراژ توليد بالا و حذف چندين مرحله و تبديل آن به يك مرحله براي توليد قطعات با شكل مطلوب نهايي داراي توجيه اقتصادي و كاهش هزينه است. قطعات توليدي با اين روش، از لحاظ خواص مكانيكي در رقابت با روش‌هاي ديگر مانند فلزكاري و ريخته‌گري دقيق (investment casting) است. در اين تحقيق، ابتدا كلياتي از اين روش ارائه شده و به دنبال آن، استفاده از اين روش در توليد اجزاي مختلف خودرو مورد بررسي قرار گرفته است.

كلمات كليدي: تزريق پودر فلز درون قالب- قطعات خودرو


الف- اصول و كليات تزريق پودر فلز درون قالب
تزريق پودر فلز درون قالب (MIM) راه‌حلي مناسب براي توليد قطعات با اشكال پيچيده است كه نيازمند دقت ابعادي بالاست. اين روش، هم براي قطعات سراميكي و هم قطعات فلزي قابل استفاده است{1}. اين فرايند، براي توليد با تيراژ 10 هزار تا 2 ميليون قطعه درسال، بسيار مناسب و مطلوب به‌نظر مي‌رسد. قطعات توليدي با اين روش، داراي خواص نهايي بسيار مطلوب و شكلي بسيار نزديك به شكل نهايي است. دامنه وسيعي از پودرهاي مختلف فلزي براي استفاده در اين روش وجود دارد كه براي نمونه مي‌توان به فولادهاي كربني، كم‌كربن، ضدزنگ، ابزار، فلزات مغناطيسي نرم و سوپر آلياژها اشاره كرد. اين روش براي توليد قطعاتي با وزن بين 1/0 تا 250گرم با مقطع عرضي كمتر از 3/6 ميلي‌متر بسيار مناسب است، اما اين فرايند به اين ابعاد محدود نمي‌شود و مي‌توان از آن در توليد قطعاتي با وزن 1 تا 2كيلوگرم داراي اشكال پيچيده و نيازمند به دقت ابعادي بالا، استفاده كرد. تلرانس ابعادي قطعات توليدي با اين روش، بين 3/0 تا 5/0 ميلي‌متر است {2}. اين فرايند داراي 4 مرحله ذيل است :
1. مخلوط كردن (Mixing)و توليد فيداستوك
2. تزريق (Injection)
3. بايندرزدايي(Debinding)
4. تفجوشي(Sintering)


1. مخلوط كردن و توليد فيداستوك
در اين مرحله، پودر را همراه بايندر (به‌عنوان چسب) درون دستگاه اكسترود ريخته و به آن دمايي در حدود 80 تا 100 درجه سانتي‌گراد مي‌دهيم. با اعمال اين دما، بايندر ذوب شده و توسط مارپيچ اكسترود به طور كامل با پودر مخلوط شده و در نهايت به‌شكل قرص از دستگاه خارج مي‌شود. به اين قرص‌ها كه تغذيه دستگاه تزريق است، اصطلاحا فيداستوك (Feedstock) گفته مي‌شود {1} و{2}.

شكل1: نمونه دستگاه مخلوط‌كن

http://www.sanatekhodro.com/CrThumb....pg&X=250&Y=172

2. تزريق
در اين مرحله، فيداستوك‌هاي توليدي درمرحله قبل وارد دستگاه تزريق شده و همزمان با اعمال فشار و دما، به درون قالب داراي شكل موردنظر، تزريق مي‌شود. عمل تزريق مشابه تزريق پلاستيك است. به محصول توليدشده در اين قسمت green part گفته مي‌شود. نمونه‌اي از يك دستگاه تزريق در شكل 2 ارائه شده است{2}.

شكل 2: نمونه‌اي از يك دستگاه تزريق

http://www.sanatekhodro.com/CrThumb....pg&X=250&Y=300
3. بايندرزدايي
به منظور جلوگيري از تشويش اتمسفر كوره زينتر به هنگام خروج مواد آلي، قبل از مرحله زينتر عمليات بايندرزدايي انجام مي‌شود كه ممكن است به شيوه حلالي يا حرارتي باشد. البته بايندرهايي وجود دارند كه در هوا از بين مي‌روند. به قطعه توليدشده در اين بخش brown part گفته مي‌شود كه از نظر ابعاد برابر با grren part است{1} .


4. تفجوشي
مرحله نهايي، تفجوشي يا زينترينگ است. در اين مرحله، كوره دمايي در حدود 85 درصد دماي ذوب مواد را اعمال كرده و پودرها به هم فشرده شده و متراكم مي‌شوند. در واقع طي اين مرحله، تخلخل‌هاي موجود بين پودرها، تا حدود بسيار زيادي از بين مي‌رود. به كمك اين روش مي‌توان به چگالي حدود 98 درصد چگالي تئوريك رسيد. محصول توليدي در اين مرحله، شكل نهايي موردنظربوده و نيازي به عمليات‌ ثانويه، نظير ماشينكاري ندارد{2} .


ب- بررسي استفاده از روش MIM در توليد قطعات خودرو
همان‌طور كه گفته شد، از اين روش مي‌توان براي قطعات كوچك و نيز قطعات حجيم با وزن 1 تا 2 كيلوگرم كه پيچيده بوده و نيازمند دقت ابعادي بالا هستند، استفاده كرد. در هرخودرو، قطعاتي مختلف وجود دارد كه مي‌توان آنها را با اين روش توليد كرد. مثلا، مي‌توان به سيستم‌هاي EGR ، حسگرهاي اكسيژن، اجزاي الكترونيكي و اجزاي مختلف موتور اشاره كرد{4}.
درصنعت خودروسازي، نظركلي و مسلط اين است كه همواره درپي توليد با تيراژ بالا و كاهش هزينه باشيم. بنابراين، در توليد قطعات خودرو به روش تزريق پودر درون قالب MIM نيز بالارفتن سرعت توليد و كاهش هزينه‌ها جزو اهداف اصلي است. يك راهكار ممكن براي رسيدن به اين منظور، روش استفاده از بايندرهاي agar پايه آبي است. با استفاده از اين نوع بايندرها، به دلايل ذيل در هزينه‌ها صرفه‌جويي مي‌شود{5} و {6} .
1. با استفاده از اين بايندرها، سرعت بايندرزدايي بالا رفته و براي بايندرزدايي به تجهيزاتي خاص نيازي نيست زيرا اين كار در هوا انجام مي‌شود.
2. با استفاده از اين بايندرها، به علت فشار و دماي پايين، ديگر نيازي به استفاده از ابزار سخت شده نيست و مي‌توان از ابزار نرم استفاده كرد. با انجام اين كار، هزينه‌هاي سختكاري ابزار از بين مي‌رود.
يكي از امتيازات اين روش، آن است كه در توليد قطعات پيچيده مانند كرانويل، بجاي انجام چندين مرحله، قطعه در يك مرحله توليد مي‌شود وبسيار نزديك به شكل نهايي است. با اين روش، هزينه‌هاي مربوط به ماشينكاري نيز حذف مي‌شود. امتياز ديگر اين روش، امكان تيراژ توليد بسيار بالاي آن است.
قطعات توليدي با اين روش و بايندر يادشده، از نظر خواص مكانيكي با روش‌هاي ديگر توليد مانند ريخته‌گري دقيق و فلزكاري، كاملا در رقابت و قابل مقايسه بوده و در برخي موارد از آنها بهتر است. مثلا، اگر فولاد ضدزنگ 17-PH را در نظر بگيريم، خواص مكانيكي آن مانند استحكام كششي و الانگيشن، بيشتر از قطعات ريختگي و برابر با قطعات كارشده است. اين مقايسه در شكل 3 نشان داده شده است{4} .

شكل 3: مقايسه خواص مكانيكي
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb....pg&X=389&Y=173

در شكل 4 نيز شماتيك فرايند توليد MIM براي سيستم‌هايي با بايندر agar پايه آبي نشان داده شده است.

شكل4: شماتيك فرايند MIM
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb....pg&X=397&Y=303

نتايج
1. روش تزريق پودر فلز درون قالب MIM راه‌حلي مفيد براي توليد قطعات بسيار پيچيده است كه نيازمند دقت ابعادي بالا هستند.
2. كاربرد MIM بيشتر در توليد قطعات كوچك و با وزن كم بوده، اما براي قطعات حجيم با وزن تقريبي 1 تا 2كيلوگرم و بسيار پيچيده و دقيق نيز بسيار مناسب است.
3. استفاده از اين روش در توليد قطعات خودرو داراي مزايايي شامل حذف چندين مرحله توليد، توليد در يك مرحله، تيراژ توليد بالا، دقت ابعادي بسيار بالا، توليد شكل نهايي در يك مرحله و حذف عمليات‌ ثانويه مانند ماشينكاري است. حذف تمام موارد فوق، در نهايت منجر به كاهش هزينه‌ها مي‌شود.
4. قطعات توليدي با اين روش، از لحاظ خواص مكانيكي در مقايسه با روش‌هايي مانند ريخته‌گري دقيق و فلزكاري، كاملا در رقابت بوده و در بعضي موارد فراتر از آنهاست.


منابع

1. Metal injection moulding, Randall German 1998
2. Powder injection moulding, www.AMT.com. 2007-06-25
3. Powder injection moulding and micromolding, National research council Canada 2005
4. Metal injection moulding for automotive applications, www.metal-powder.net, September 2003
5. German, R., & Bose, A., Injection Molding of Metals & Ceramics, Metal Powder Industries Federation, 1997,pp.
6. Lassale, J., Net-shape processing of metals using an aqueous- based injection, March 26-28,2000.