¿Cuál es la diferencia entre CNC y MIM?

El trimestre pasado, una empresa de dispositivos médicos nos envió una pieza que habían estado mecanizando durante tres años. Soporte de acero inoxidable, 47 funciones, 23 dólares por pieza, 60.000 unidades al año. Querían saber si MIM podría reducir sus costos.

 

Hicimos el análisis. Las herramientas MIM costarían 52.000 dólares. El costo por-pieza se reduciría a $4,20. Punto de equilibrio en 2766 unidades, por lo que recuperarían la inversión en herramientas en el primer mes de producción y ahorrarían 1,1 millones de dólares al año después de eso.

 

No cambiaron.

 

El soporte tenía dos orificios que requerían ±0,02 mm para el ajuste a presión del rodamiento. MIM a ±0,3% en esas características de 18 mm daría ±0,054 mm, casi tres veces más flojo. Podríamos MIM el cuerpo y CNC-terminar los orificios, pero ese enfoque híbrido tenía un precio de $7,80 por pieza. Aún así se ahorra dinero, pero no la reducción drástica que querían.

Tolerancia

Aquí es donde mueren la mayoría de los proyectos MIM. Escalas de tolerancia MIM como porcentaje, ±0,3% estándar, ±0,1% optimizado. Los ingenieros ven ±0,3% y piensan "estrictamente". En funciones pequeñas, lo es.

CNC tiene una tolerancia absoluta. MIM escala con el tamaño. ¿Ese diámetro de 50 mm a ± 0,05 mm? MIM no puede tocarlo sin un mecanizado secundario.

Pero cuando las tolerancias funcionan, los ahorros son reales. El programa de instrumentos quirúrgicos de Spine Wave es el caso al que más hacemos referencia porque los números son públicos y la historia está completa. Acudieron a su proveedor de MIM con un componente de bloqueo de envío para el dispositivo de fusión espinal Velocity®. La pieza se mecanizaba a 18 dólares la pieza, lo que no es una barbaridad para un componente médico, pero necesitaban 75.000 unidades al año. Gasto anual en mecanizado: 1,35 millones de dólares.

La evaluación del MIM duró cuatro meses. Las herramientas costaron $38,000. Los primeros artículos requirieron dos ajustes del ciclo de sinterización para alcanzar las especificaciones dimensionales. El costo por pieza fue de $2,80. Total del primer año: $248 000, incluida la amortización de herramientas. Ahorraron más de un millón de dólares en el primer año. Para el tercer año, los ahorros acumulados superaron los $3,2 millones.

Proceso

MIM es una secuencia de transformaciones. El polvo de metal, de 2 a 20 micrones de diámetro, se mezcla con un aglutinante termoplástico en aproximadamente un 60% de polvo y un 40% de aglutinante en volumen. La mezcla se comporta como plástico durante la inyección. Fluye hacia las cavidades del molde y se solidifica en "partes verdes" que parecen correctas pero no tienen integridad estructural.

La parte verde pasa por desaglutinado, descomposición térmica o extracción con disolventes, para eliminar el polímero. Lo que queda es una "parte marrón": polvo metálico unido por fricción y aglutinante residual. Lo suficientemente frágil como para desmoronarse si lo manejas mal.

La parte marrón ingresa a un horno de sinterización que funciona al 85-95% del punto de fusión de la aleación. Durante 15 a 20 horas, la difusión en estado sólido une las partículas de polvo. La pieza se contrae entre un 15 y un 20 % en todas las dimensiones a medida que la porosidad colapsa y la densidad aumenta. Una pieza moldeada a 60 mm sale del sinterizado a 48-51 mm.

La contracción es predecible en conjunto pero no perfectamente uniforme. La gravedad afecta a las piezas de manera diferente según la orientación del horno. La distribución masiva influye en las tasas de contracción local. La variación del espesor de la pared crea una contracción diferencial que deforma las piezas.

Hemos visto piezas que salen de sinterización dimensionalmente correctas y piezas del mismo molde salen torcidas porque alguien cargó mal la bandeja del horno. Este tipo de cosas suceden más de lo que a los proveedores les gusta admitir. El desarrollo de accesorios de sinterización, soportes que sujetan la geometría de la pieza durante las horas-ciclo térmico de larga duración, es un trabajo de ingeniería, no una mercancía. Los proveedores sin experiencia en piezas geométricamente similares repetirán los diseños de accesorios a su cargo.

Los fracasos

El control de la atmósfera en el horno de sinterización determina si el material realmente funciona según las especificaciones. Los aceros inoxidables necesitan hidrógeno o una atmósfera de vacío. Una atmósfera incorrecta o la contaminación atmosférica de un horno sucio hace que el cromo se aleje de la superficie. Las piezas se ven bien. Consulta las dimensiones. Pero la resistencia a la corrosión se destruye porque se agota el cromo de la superficie. Hemos rechazado piezas MIM entrantes de otros proveedores que pasaron la inspección dimensional pero no pasaron la prueba de niebla salina en menos de 100 horas.

Las piezas MIM conservan entre un 1 y un 4 % de porosidad. Esos huecos atrapan cualquier contaminación que exista en su entorno: refrigerante de mecanizado, aceite de corte, humedad atmosférica.

Hace dos años tuvimos un cliente que especificó MIM en soportes estructurales para reducir costos. La producción transcurrió sin problemas durante ocho meses. Luego, su equipo de servicio de campo intentó soldar un soporte durante la reparación del equipo.

La soldadura falló. Repetidamente.

La contaminación atrapada que se vaporizaba a través del baño de soldadura creó porosidad e inclusiones que destruyeron la integridad de la junta. Tuvieron que calificar a un nuevo proveedor de CNC para piezas de repuesto. Los "ahorros de costos" de MIM se convirtieron en costos de adquisición de emergencia, demoras en el servicio de campo y un problema de relación con el cliente.

Si sus piezas alguna vez necesitan soldadura, montaje, reparación o modificación en el campo, MIM está descalificado.

La fatiga es otra cosa sobre la que recibimos preguntas. Máquinas de barras forjadas con 100% de densidad y estructura de grano consistente. MIM sinteriza hasta una densidad del 96-99 % con microporosidad distribuida. La fuerza estática es equivalente. Hemos probado piezas MIM 17-4PH con especificaciones forjadas y coinciden en cuanto a tracción, rendimiento y dureza.. 17-4PH H900 funciona con 1070-1190 MPa UTS, rendimiento de 970-1090 MPa, 35-40 HRC. 316L alcanza un mínimo de 520 MPa con excelente resistencia a la corrosión cuando la atmósfera de sinterización se controla adecuadamente. Pero esos microporos actúan como concentradores de tensión bajo carga cíclica. Para piezas con ciclos de 10^7+, ejes giratorios, soportes cargados por vibración y cualquier cosa con problemas de resonancia, el material forjado supera al MIM. El prensado isostático en caliente puede cerrar la porosidad y recuperar el rendimiento ante la fatiga, pero eso añade entre 10 y 25 dólares por pieza.

Acabado de la superficie: MIM-sinterizado alcanza Ra 0,8-1,6 μm, más suave que el CNC estándar con Ra 3,2 μm. La densidad es del 96% al 99%, o del 99%+ con HIP. Normas si las necesita: MPIF 35-MIM (2025), ASTM B883-19, ISO 22068:2012.

Volumen

Fórmula de equilibrio-: costo de herramientas MIM dividido por el ahorro por-pieza. Un molde de $40 000 con un ahorro de $14 por pieza alcanza el punto de equilibrio con 2857 unidades. Por encima de ese volumen, cada pieza ahorra 14 dólares. Con un volumen anual de 50.000, eso equivale a 700.000 dólares al año.

Sólo alrededor de la mitad de los moldes MIM que cotizamos llegan a producirse. Los cambios de diseño después del inicio de las herramientas cuestan entre 2000 y 15 000 dólares por modificación. Los programas que persiguen la reducción de costos antes que la estabilidad del diseño terminan pagando el doble por las herramientas.

Máquinas CNC cualquier cosa que puedas fijar. Aluminio, titanio, Inconel, latón, plásticos, composites, sin restricciones más allá de la maquinabilidad. La selección del material MIM depende de las formulaciones de materia prima establecidas. Los aceros inoxidables representan entre el 50% y el 57% de la producción mundial de MIM. 316L para resistencia a la corrosión, 17-4PH para resistencia y 420 para desgaste. Aceros de baja aleación (4140, 4340, Fe-2Ni) para tratamiento térmico o propiedades magnéticas. Aceros para herramientas M2 y H13 para resistencia al desgaste, aunque el control del carbono durante la sinterización requiere un desarrollo cuidadoso del proceso. Titanio Ti-6Al-4V para uso médico y aeroespacial, sinterizado al vacío. Lo que no funciona: aluminio, aleaciones de cobre, metales puros.

Utilización del material: el CNC convierte entre el 20 y el 50 % de la palanquilla en piezas y el resto en chips. Las piezas complejas pueden desperdiciar entre un 70 y un 80 %. La utilización de materia prima MIM es del 95 al 97 % con reciclaje de canales. Para el titanio a 60 dólares el kg, una pieza mecanizada desde un tocho de 180 g hasta un acabado de 40 g desperdicia 140 g de material, es decir, 8,40 dólares en chatarra antes de cortar una sola viruta. MIM produce esa pieza a partir de aproximadamente 42 g de materia prima.

Cuando funciona

MIM gana cuando se tiene una geometría compleja que requiere múltiples operaciones CNC. Características internas, socavaciones, paredes delgadas, características que necesitarían trabajo de 5 ejes o electroerosión. Las piezas cuyo costo de mecanizado oscila entre $ 25 y 50 por pieza a menudo cotizan por debajo de $ 5 por pieza en MIM.

Programa de paletas de turbocompresor de la AFT: 180+ millones de piezas producidas para BMW, Ford, Tesla y Caterpillar. Perfiles aerodinámicos que soportan ±0,015 mm, más ajustados que el MIM estándar mediante herramientas optimizadas y control de procesos. 20 % de reducción de costos en comparación con la fundición de precisión en volúmenes automotrices. Documentado en pim-international.com. Ese programa requirió años de inversión en desarrollo, no algo que se pueda replicar en un cronograma de seis-meses.

El CNC gana en piezas de aluminio y cobre, características{0}}de tolerancia estricta por debajo de ±0,1%, aplicaciones que requieren soldabilidad, programas que necesitan trazabilidad completa de materiales (aeroespacial, nuclear), piezas con un volumen anual inferior a 5000 y geometrías que se mecanizan de manera eficiente. Es posible que las piezas torneadas simples en tornos CNC nunca justifiquen el uso de herramientas MIM, independientemente del volumen.

El híbrido funciona cuando necesita economía MIM en geometría compleja pero tiene características que requieren precisión CNC. MIM el cuerpo, mecanice los orificios críticos.