قولبة حقن المعادن

قولبة حقن المعادن ( MIM ) هي عملية تشكيل معادن يتم فيها خلط مسحوق معدني ناعم مع مادة رابطة لإنتاج "مادة خام" تُشكّل وتُصلّب باستخدام قولبة الحقن . تجمع قولبة حقن المعادن بين أهم خصائص تعدين المساحيق وقولبة حقن البلاستيك لتسهيل إنتاج مكونات معدنية صغيرة ذات أشكال معقدة وخصائص ميكانيكية فائقة. ^{[ 1 ]} تتيح عملية القولبة تشكيل أجزاء معقدة بكميات كبيرة في خطوة واحدة. بعد القولبة، تخضع القطعة لعمليات تهيئة لإزالة المادة الرابطة (إزالة المادة الرابطة) وتكثيف المساحيق. المنتجات النهائية عبارة عن مكونات صغيرة تُستخدم في العديد من الصناعات والتطبيقات.

يخضع سلوك المواد الأولية لتقنية حقن المعادن (MIM) لعلم الريولوجيا ، وهو دراسة الحمأة والمعلقات والسوائل غير النيوتونية الأخرى.

نظراً للقيود الحالية لمعدات قولبة الحقن، يجب قولبة المنتجات باستخدام كميات  لا تتجاوز 100 غرام لكل حقنة في القالب. يمكن توزيع هذه الحقنة على تجاويف متعددة، مما يجعل تقنية قولبة الحقن المعدني (MIM) فعالة من حيث التكلفة للمنتجات الصغيرة والمعقدة ذات الأحجام الكبيرة، والتي قد تكون مكلفة الإنتاج بطرق أخرى. يمكن أن تتكون مادة التغذية لتقنية قولبة الحقن المعدني من مجموعة متنوعة من المعادن، ولكن أكثرها شيوعاً هي الفولاذ المقاوم للصدأ، المستخدم على نطاق واسع في تعدين المساحيق . بعد عملية القولبة الأولية، تتم إزالة المادة الرابطة لمادة التغذية، ثم يتم ربط جزيئات المعدن بالانتشار وتكثيفها لتحقيق خصائص القوة المطلوبة. عادةً ما تؤدي هذه العملية الأخيرة إلى تقليص حجم المنتج بنسبة 15% في كل بُعد.

نما سوق قولبة حقن المعادن من 9 ملايين دولار أمريكي عام 1986، إلى 382 مليون دولار أمريكي عام 2004، ثم إلى أكثر من 1.5 مليار دولار أمريكي عام 2015. ومن التقنيات ذات الصلة قولبة حقن مسحوق السيراميك، التي حققت مبيعات إجمالية بلغت حوالي ملياري دولار أمريكي. وقد تركز معظم النمو في السنوات الأخيرة في آسيا. ^{[ 2 ]}

في دراسته المنشورة عام 1956، يصف بي أو غريبوفسكي بالتفصيل تقنية الصب الساخن (القولبة الساخنة) للمنتجات الخزفية تحت الضغط (المعروفة الآن باسم قولبة حقن المساحيق منخفضة الضغط)، ويشير تحديدًا إلى أن "تقنية الصب الساخن تتيح إمكانية تصنيع المنتجات من أي مواد صلبة، بدءًا من المعادن الطبيعية والأكاسيد النقية والكربيدات والمعادن، وصولًا إلى المواد المركبة الاصطناعية متعددة المكونات ومزيجها". ^{[ 3 ]} يشير هذا إلى إمكانية صب قولبة حقن المساحيق المعدنية (MIM)، التي طبقها الدكتور ريموند إي ويتش الابن في سبعينيات القرن الماضي، والذي طور تقنية قولبة حقن المساحيق المعدنية بصفته أحد مؤسسي شركة بارماتيك في كاليفورنيا ، وهو اسم مشتق من عبارة "تقنية المواد الجزيئية". ^{[ 4 ]} حصل ويتش لاحقًا على براءة اختراع ^{[ 5 ]} لعمليته، وتم اعتمادها على نطاق واسع للاستخدام في التصنيع في ثمانينيات القرن الماضي.

اكتسبت تقنية حقن المعادن بالتشكيل (MIM) شهرة واسعة خلال تسعينيات القرن الماضي، حيث أدت التحسينات التي أُدخلت على عمليات التشكيل اللاحقة إلى منتج نهائي ذي أداء مماثل أو أفضل من المنتجات المصنعة باستخدام عمليات منافسة. وقد حسّنت هذه التقنية من كفاءة التكلفة من خلال الإنتاج بكميات كبيرة وصولاً إلى الشكل النهائي، مما ألغى الحاجة إلى عمليات إضافية مكلفة مثل التشغيل الآلي، على الرغم من أن تقنية حقن المعادن بالتشكيل (MIM) تعاني من ضعف في دقة المواصفات البُعدية.

تتضمن خطوات العملية دمج مساحيق المعادن مع بوليمرات مثل الشمع ومواد رابطة من البولي بروبيلين لإنتاج مزيج "المادة الخام" الذي يُحقن كسائل في قالب باستخدام آلات قولبة حقن البلاستيك. يُبرّد الجزء المصبوب أو "الجزء الأخضر" ويُخرج من القالب. بعد ذلك، تُزال كمية من المادة الرابطة باستخدام مذيب أو أفران حرارية أو عملية تحفيزية أو مزيج من هذه الطرق. يكون الجزء الناتج، الهش والمسامي (40% حجمًا من "الهواء")، في حالة تُسمى المرحلة "البنية". ولتحسين سهولة التعامل معه، غالبًا ما تُدمج عمليتا إزالة المادة الرابطة والتلبيد في عملية واحدة. يُسخّن التلبيد المسحوق إلى درجات حرارة قريبة من نقطة الانصهار في فرن ذي جو واقٍ لتكثيف الجزيئات باستخدام قوى الشعرية في عملية تُسمى التلبيد . غالبًا ما تُلبّد أجزاء قولبة حقن المعادن عند درجات حرارة عالية بما يكفي تقريبًا لإحداث انصهار جزئي في عملية تُسمى تلبيد الطور السائل. على سبيل المثال، يمكن تسخين الفولاذ المقاوم للصدأ إلى درجة حرارة تتراوح بين 1350 و1400 درجة مئوية (2460 إلى 2550 درجة فهرنهايت) . وتكون معدلات الانتشار عالية، مما يؤدي إلى انكماش كبير وزيادة في الكثافة. عند إجراء هذه العملية في فراغ، من الشائع الوصول إلى كثافة صلبة تتراوح بين 96 و99%. يتمتع المعدن الناتج النهائي بخصائص ميكانيكية وفيزيائية مماثلة للأجزاء المُلدّنة المصنعة باستخدام طرق تشكيل المعادن التقليدية. تُجرى المعالجات الحرارية اللاحقة للتلبيد في تقنية حقن المعادن بالحقن (MIM) بنفس طريقة طرق التصنيع الأخرى، وبفضل الكثافة العالية، يكون مكون MIM متوافقًا مع معالجات تهيئة المعدن مثل الطلاء ، والتخميل ، والتلدين، والكربنة ، والنتردة ، والتصليد بالترسيب .  

تكمن الميزة الاقتصادية لقطع قولبة حقن المعادن في تعقيدها وحجمها، خاصةً للقطع الصغيرة. تُضاهي مواد قولبة حقن المعادن المعادن المُشكّلة بطرق منافسة، وتُستخدم المنتجات النهائية في طيف واسع من التطبيقات الصناعية والتجارية والطبية وطب الأسنان والأسلحة النارية والفضاء والسيارات . تُعدّ التفاوتات البُعدية بنسبة ±0.3% شائعة، ويتطلب الأمر عمليات تشغيل للحصول على تفاوتات أدق. تُتيح قولبة حقن المعادن إنتاج قطع يصعب، أو حتى يستحيل، تصنيعها بكفاءة باستخدام وسائل تصنيع أخرى. يُفضّل أن يحتوي المكوّن، الذي لا يتجاوز حجمه 25  مم وكتلته 10 غرامات، على 75 مواصفة بُعدية على الأقل، كما هو مطلوب في علب الساعات ومقابس الهواتف المحمولة ومفصلات أجهزة الكمبيوتر المحمولة. لا تُؤدي زيادة تكاليف طرق التصنيع التقليدية، المرتبطة بتعقيد القطعة، مثل الخيوط الداخلية/الخارجية أو التصغير أو وضع علامات التعريف، عادةً إلى زيادة التكلفة في عملية قولبة حقن المعادن، وذلك بفضل مرونة هذه التقنية.

تشمل القدرات التصميمية الأخرى التي يمكن تطبيقها في عملية حقن المعادن رموز المنتجات، وأرقام الأجزاء، أو طوابع التاريخ؛ وتصنيع الأجزاء وفقًا لوزنها الصافي مما يقلل من هدر المواد والتكلفة؛ والتحكم في الكثافة بنسبة 95-99%؛ ودمج الأجزاء والهندسة ثلاثية الأبعاد المعقدة . ^{[ 6 ]}

تضمن القدرة على دمج عدة عمليات في عملية واحدة نجاح تقنية قولبة حقن المعادن (MIM) في توفير الوقت والتكاليف، مما يوفر فوائد كبيرة للمصنعين. قد تُعتبر هذه التقنية صديقة للبيئة نظرًا لانخفاض الهدر بشكل ملحوظ مقارنةً بأساليب التصنيع التقليدية، مثل التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) خماسي المحاور. مع ذلك، تُنتج بعض العمليات القديمة انبعاثات سامة مثل الفورمالديهايد ، وتتخلص من مذيبات مكلورة، وتضطر إلى حرق الشمع أو البوليمرات الأخرى، مما يؤدي إلى انبعاثات غازات الاحتباس الحراري .

تتوفر مجموعة واسعة من المواد عند استخدام عملية حقن المعادن بالحقن (MIM). غالبًا ما تتضمن عمليات تشكيل المعادن التقليدية كمية كبيرة من نفايات المواد، مما يجعل عملية حقن المعادن بالحقن خيارًا عالي الكفاءة لتصنيع المكونات المعقدة التي تتكون من سبائك باهظة الثمن/خاصة (مثل الكوبالت والكروم ، والفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH ، وسبائك التيتانيوم ، وكربيدات التنجستن ). تُعد عملية حقن المعادن بالحقن خيارًا مناسبًا عند الحاجة إلى مواصفات جدران رقيقة للغاية (مثل 100 ميكرومتر). بالإضافة إلى ذلك، تُشكل متطلبات الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي تحديات فريدة، يتم التغلب عليها بنجاح من خلال استخدام سبائك خاصة ( ASTM A753 النوع 4). ^{[ 7 ]}

• يمكن تصنيع منتجات مسحوق المعادن ذات كثافة عالية (99%) وخشونة سطح جيدة (1 ميكرومتر Ra). ^{[ 8 ]}
• تتيح هذه التقنية حرية تصنيع أشكال معقدة قد تعتبر باهظة التكلفة باستخدام طرق أخرى.
• يُتيح تصنيع أجزاء صغيرة الحجم بكميات كبيرة.
• يحقق ميزات الشكل النهائي مثل الخيوط الداخلية والخارجية، والثقوب ذات الشكل المحدد، والنسيج السطحي ذي التفاصيل الدقيقة، والتخريش، والنقوش، والعلامات.

على الرغم من أن تقنية MIM لها العديد من المزايا، إلا أنها تنطوي أيضاً على بعض العيوب:

• ارتفاع التكلفة الأولية: يتطلب الأمر استثمارًا أوليًا مرتفعًا نظرًا لتكاليف تصنيع الأدوات وتكاليف المواد الخام.
• قيود الحجم: يعتبر MIM جيدًا جدًا للأجزاء الصغيرة ولكنه غير مناسب لتصنيع الأجزاء التي يزيد حجمها عن 20  سم.
• الكمية: تقنية حقن المعادن (MIM) مناسبة فقط لعمليات الإنتاج بكميات كبيرة.

صب القوالب

• عملية إدارة المعلومات الإدارية
• ما هو MIM؟