MIM-teknologia konetekniikan opetuksessa

Vesa Nuutamo

MIM (Metal Injection Molding) on  valmistustekniikka, jossa metallikappaleita valmistetaan metallijauheesta. Metallijauhe on sekoitettu polymeeriin, jolloin siitä voidaan ruiskuvalaa hyvinkin monimutkaisia muotokappaleita. Ruiskuvalun jälkeen kappaleista poistetaan sideaine (polymeeri). Tässä vaiheessa kappale on kuin muotoonsa puristettu metallijauhe. Metallikappaleet saavat lopullisen lujuutensa ja mittansa, kun ne lopuksi sintrataan uunissa. Ruiskuvalussa annettu kappaleen muoto säilyy prosessin aikana, mutta kutistuu, erityisesti sintrausvaiheessa. Siksi ruiskuvalettu kappale on kutistuman verran lopullista metallikappaletta suurempi.’

MIM-kappaleet ovat usein muodoltaan haastavia perinteisin menetelmin tehtäessä. Suurin mitta on tyypillisesti enintään 25 mm ja kappaleen paino noin 10 g.

Perinteisiin valmistusmenetelmiin, koneistukseen tai valamiseen verrattuna MIM on kustannustehokas valmistettaessa suuria määriä pieniä, geometrialtaan monimutkaisia kappaleita. Tämä johtuu ruiskuvalusta, jossa muottikustannukset ovat korkeat. Toisaalta ruiskuvalun tehokkuutta lisää se, että useita kappaleita voidaan valaa kerralla. Kappaleessa olevat erikoismuodot eivät lisää samalla tavalla kustannuksia kuin jos ne jouduttaisiin tekemään perinteisin menetelmin. Usein kokoonpantavan rakenteen valmistus pystytään yksinkertaistamaan ruiskuvalamalla se suoraan valmiiksi. Koneistuksessa valmistus perustuu aineen poistoon, mikä synnyttää paljon jätettä ja lisää kustannuksia. MIM:ssä jäte syntyy vain ruiskuvalussa tarvittavasta valukanavistosta, joka voidaan uusiokäyttää prosessissa. Jätteen määrän merkitys korostuu erityisesti silloin, kun materiaalikustannukset kasvavat.

MIM-materiaalit ovat teknisiltä ominaisuuksiltaan verrattavissa perinteisissä menetelmissä käytettäviin materiaaleihin. Niitä on saatavana laaja valikoima. Eniten käytetään ruostumattomia terästyyppejä. Ruiskuvalu mahdollistaa myös eri materiaalien yhdistämisen kappaleissa.

MIM-valmistusprosessi

Valmistusprosessi alkaa varsinaisesti ruiskuvalusta, jota varten on saatavana kaupallisia materiaaleja. Ne on valmistettu sekoittamalla metallipulveri sulaan polymeeriin ja granuloimalla seos pieniksi rakeiksi. Metallipulveria on materiaalin tilavuudesta n. 60 %. Polymeeri toimii sideaineena ja tekee materiaalista sulatyöstettävän.

Ruiskuvalu tapahtuu samalla tavalla kuin valmistettaessa tavanomaisia muovikappaleita. Ruiskuvalukoneen ruiskutusyksikössä materiaali sulatetaan, annostellaan ja ruiskutetaan ruuvin avulla muottipesiin. Kun materiaali on jäähtynyt, muotti avataan ja kappaleet poistetaan muotista. Kappaleita kutsutaan tässä vaiheessa ”green parteiksi”.

Seuraavassa vaiheessa tapahtuu sideaineen poisto liuottamalla, termisesti tai kemiallisesti hajottamalla polymeeri pois kappaleista. Käytettävä tekniikka riippuu materiaalin polymeerityypistä. Tuloksena saadaan hauras ja huokoinen kappale, jota kutsutaan ”brown partiksi”. Tässä vaiheessa kappale jo hieman kutistuu. Yleensä materiaalissa käytetään sideaineena kahta polymeeriä, joista vain toinen poistetaan tässä vaiheessa. Toinen polymeeri, jota on pieni määrä, poistetaan vasta sintrausvaiheen alussa. Sen tarkoitus on lujittaa haurasta kappaletta ja näin parantaa sen käsiteltävyyttä.

Periaatekuva MIM-valmistusprosessista.

Sintrausta varten kappaleet laitetaan uuniin, jossa on materiaalikohtainen suojakaasu. Ensimmäisessä lämpökäsittelyvaiheessa kappaleista poistetaan edellisessä vaiheessa kappaleisiin jäänyt polymeeri. Tämän vaiheen jälkeen lämpötila nostetaan varsinaiseen sintrauslämpötilaan, joka riippuu käytettävästä metallista. Ruostumattomalla teräksellä se on n. 1400°C. Sintrauksessa metallijauhepartikkelien rajapinnat häviävät ja kappaleeseen muodostuu yhtenäinen sisäinen rakenne. Samalla kappaleen mitat kutistuvat n. 15 %.

Sintrauksen jälkeen kappaleet vastaavat kappaleita, jotka ovat valmistettu vastaavasta metallista perinteisillä valmistusmenetelmillä.  Niille voidaan tarvittaessa tehdä samoja lämpö- ja pintakäsittelyitä.

MIM-teknologia konetekniikan opetuksessa

Karelia-ammattikorkeakoulussa on viime vuosien aikana projektitoiminnan kautta hankittu tietotaitoa MIM-teknologiasta ja rakennettu omaa MIM-valmistusprosessia. Syksyllä saadun sintrausuunin jälkeen Karelia-ammattikorkeakoulun tiloissa on käytössä koko valmistusprosessi ruiskuvalusta valmiiseen kappaleeseen asti. Materiaalin valmistusta ei ole, vaan prosessissa käytetään kaupallisia materiaaleja, joissa käytetään vesiliukoista polymeeriä. MIM-prosessin teknisesti vaativin osa-alue on ruiskuvalu, johon sisältyvät tuote- ja muottisuunnittelu, muotin valmistus sekä itse ruiskuvalu tehdään omissa tiloissa. Vuosikymmenten aikana kertynyttä kokemusta ruiskuvalutekniikasta pystytään hyödyntämään näin MIM-teknologiassa, mikä on äärettömän suuri etu.

MIM-valmistusprosessiin syksyllä 2016 hankittu sintrausuuni.

Aiemmin Karelia-ammattikorkeakoulussa luovuttiin muovitekniikan koulutusohjelmasta ja sen myötä muovitekniikan koulutus liitettiin osaksi konetekniikan opetusta. Muovitekniikan rooli konetekniikassa on ollut hieman hankala ja vaarana on ollut, että vuosien saatossa kertynyt osaaminen erityisesti ruiskuvalutekniikassa valuu pikkuhiljaa hukkaan. MIM-teknologian myötä Karelia-ammattikorkeakoulun muovitekninen osaaminen on jälleen arvossaan ja sitä kautta ruiskuvalutekniikan osaamista on helpompi perustella konetekniikan opiskelijoille. Näin heidän osaamisensa laajenee muovitekniikan puolelle ja parantaa heidän valmiuksiaan toimia myös muoviteknisissä yrityksissä.

Tässä vaiheessa vasta muutamia opiskelijoita on osallistunut MIM-teknologiaan projektitoiminnan kautta, mutta jatkossa MIM tullaan integroimaan osaksi konetekniikan koulutusta. Tavoitteena on, että kaikki opiskelijat saavat perustiedot ja -taidot MIM-teknologiasta. Sen lisäksi opiskelijoilla on mahdollisuus syventää osaamista osallistumalla MIM-teknologiaan liittyviin projekteihin.

Vesa Nuutamo, lehtori
Karelia-ammattikorkeakoulu