Hakan SUNGUR
Makine Y. Müh.
TekoTek Kesici Takımlar Ltd.
hsungur@tekotek.com.tr
Giriş:
Metal Enjeksiyon
Kalıplama (MIM-Metal Injection Moulding) teknolojisi ile mühendisler tasarım ve
üretimde sınırları zorluyor: El Aletleri, Tıp, Optik, Ateşli Silahlar,
Elektronik ve Otomotiv endüstrilerinin “Hassas ve Karmaşık Şekilli” parçaları
seri biçimde üretilebiliyor. Paslanmaz çelikler; yüksek mukavemetli çelikler;
genel imalat çelikleri; invar, kovar gibi özel alaşımlar; bakır, pirinç,
titanyum gibi demir dışı metaller ve daha bir çok malzeme MIM’e uygulanıyor…
Metal Enjeksiyon
Kalıplama ya da literatürde bilinen adıyla MIM teknolojisi özellikle son 15-20 yıl
içerisinde alternatif bir imalat metodu olarak kendini göstermeye başlamıştır.
Göreceli olarak küçük, hassas ve kompleks şekilli parçaların ekonomik biçimde
üretilmesine imkan tanıyan MIM teknolojisi bugün itibarıyla dünyada 1 milyar
US$ tutarında iş hacmine ulaşmıştır. El aletleri, optik, tıp, ateşli silahlar,
havacılık, elektronik ve otomotiv gibi günümüzün kitlesel imalat sektörlerine
hizmet vererek sürekli gelişme gösteren MIM endüstrisinin, 2010 yılı itibarıyla
2 milyar US$’a varan bir pazar büyüklüğüne erişeceği tahmin edilmektedir.
MIM teknolojisi,
aslında önceden bilinen toz metalürjisi ve plastik enjeksiyon teknolojilerinin
bir arada kombine edilmesi ile gerçekleştirilmektedir. Ancak MIM’in bir üretim
metodu olarak uyarlanması ve ticari olarak kullanılmaya başlanması 1990’lara
dayanmaktadır. Klasik toz metalürjisi, preslenmeye hazır hale getirilmiş toz
karışımının rijid bir kalıp içerisinde tek eksende preslenerek sıkıştırılması,
daha sonra da kalıptan çıkarılarak sinterlenmesi esasına dayanmaktadır. Böylece
nispeten komplike şekillere sahip parçalar kolayca ve milyonlarca
üretilebilmektedir. Ancak yöntemde parça şekline bağlı olan belirgin bir
kısıtlama söz konusudur: Parçanın kalıptan çıkarılması zorunluluğu presleme
yönüne göre açılı delik ve boşaltmaların yapılmasını engeller. Bu sınırlama
metal enjeksiyon teknolojisinde önemli ölçüde giderilmiştir.
|
|
|
Şekil.1 – Metal
Enjeksiyon Kalıplama Prosesi |
Enjeksiyon yöntemi ile
plastik malzemelerin şekillendirilmesi yıllardan beri uygulanan bir imalat
metodudur. Hemen hemen her gün hayatımıza karmaşık şekilli yeni bir plastik
parça girmektedir. Çoğu kez farkına bile varamadığımız bu parçaların en büyük
özelliği göreceli olarak ucuz olmalarıdır. Ancak diğer taraftan bir çok
mühendislik uygulaması için de bu termo-plastik malzemeler yeterli mekanik
özelliklere (sertlik, mukavemet, yüksek sıcaklıklarda çalışabilme vs.) sahip
değildir. Gerçi bu plastik malzemelere metal ya da seramik katkı maddeleri
ilave edilmesi suretiyle bir çok geliştirme yapılmıştır. Fakat gerçek ilerleme
katkılı plastik yerine, yüksek oranda metal tozunun plastik içerisine
karıştırılması suretiyle elde edilen “plastik bağlantılı metal” malzemenin
bulunması ile sağlanmıştır. Plastik bağlayıcının dikkatli bir şekilde
ayrıştırılarak yapıdan uzaklaştırılması sonucunda geriye sadece metalden oluşan
gözenekli bir iskelet yapı kalır. İşte bu iskelet metal de tıpkı klasik toz
metalürjisinde olduğu gibi sinterlenerek metalik bağlantıların teşkil edilmesi
ve gözeneklerin kapanması suretiyle metal parça haline dönüştürülür. Sinter
sonrası parça yoğunluğu, teorik malzeme yoğunluğunun %95’i civarındadır. Yüksek
basınç altında sinterleme (HIP) uygulanması ile yoğunluk %99.7 kadar
çıkarılabilmektedir. Bunun anlamı parçanın mekanik özelliklerinin geleneksel
toz metalürjisinden öteye geçerek dövme malzeme özelliklerine sahip olmasıdır.
Metal Enjeksiyon Kalıplama
prosesisinin temel adımları Şekil.1’de gösterilmiştir. Metal tozları sıcak
olarak organik bağlayıcılarla karıştırılır. Toz olarak üretilebilen hemen hemen
her çeşit metal ve metal alaşımı MIM’de kullanılabilmektedir. Alaşımsız ve
düşük alaşımlı çelikler, paslanmaz çelikler, yüksek hız çelikleri, bakır bazlı
alaşımlar (pirinç, bronz vs.), nikel ve kobalt esaslı süper alaşımlar (invar,
kovar vb.), titanyum, manyetik alaşımlar, refrakter malzemeler ve sert maden
(tungsten karbür) bu malzemelerden örneklerdir (detay için yazının sonunda
verilen malzeme listesine bakınız). Sadece aluminyum ve magnezyum bunların
dışındadır. Bağlayıcı olarak da termo-plastik malzemeler (parafin, antipirin,
balmumu, naftalin, fıstık yağı, stearik ve oleik asitler, esterler vs.),
poliasetal (polioksimetilen) ve jelatin türevi malzemeler (metil selüloz,
gliserin, borik asit vs.) kullanılmaktadır. Homojen ve uniform olarak elde
edilen karışım soğutularak granülize edilir. Belli bir granül büyüklüğüne sahip
malzeme enjeksiyon preslerinde kullanılır. Enjeksiyon işleminde kullanılan
presler plastik endüstrisinde kullanılan makinalara çok benzer.
|
|
|
Şekil. 2 – MIM
prosesinde kullanılan enjeksiyon presler plastik endüstrisinde kullanılan
makinalara çok benzer. |
Enjeksiyon işlemi
yaklaşık 165-
|
|
|
Şekil. 3 – Termal
ayrıştırma işlemi bağlayıcı yakma fırınlarında düşük sıcaklıkta
gerçekleştirilir. |
Bu aşamada elde edilen
parçaya “Kahverengi Parça” denmektedir. Kahverengi parçada artık sadece metal
vardır ve henüz metalik bağlantı yapılmadığından bir tebeşir gibi kırılıp,
şekillendirilebilir. Çapak alma, küçük tashihler gibi düzeltici işlemler bu
aşamada gerçekleştirilebilir. Bir sonraki adımda parçalar sinterlenerek
istenilen ölçü, yoğunluk ve mekanik özelliklere uygun şekilde katılaştırılır.
Sinterleme esnasında parçalarda ciddi bir kendini çekme (büzülme) söz konusudur
zira başlangıçtaki yapıda hacimsel olarak %50 ’ye varan bir oranda plastik
bağlayıcı bulunmaktadır. Parçalarda kendini çekme her üç boyutta ve eşit olarak
gerçekleşir. Çekme oranı tek boyutta %15-20 civarındadır. MIM teknolojisinin en
önemli kısmı parçalardaki bu büzülme olayını kontrol ederek yönetebilmektir.
Geleneksel toz metalürjisinden farklı olarak, MIM parçalardaki metalin yoğunluk
dağılımı eğer başlangıçtaki karışım yeterince homojen olarak elde
edilebildiyse, çok daha uniformdur. Bu nedenle sinterleme sırasındaki kendini
çekme fazla olsa da , düzgün ve eşit bir büzülme söz konusudur. Böylece tek
eksenli sıkıştırma ile form verilmiş klasik toz metalürjisi parçalarda
karşılaşılan geometrik çarpılma ve bozulmalar, MIM teknolojisinde büyük ölçüde
elimine edilmiş olur. Sinterlenerek artık metal halini almış parçalara talaş
kaldırma işlemleri (kesme, delme, diş çekme, taşlama vs.), ısıl işlemler
(sertleştirme, menevişleme, yaşlandırma vb.) ve yüzey işlemleri (kaplama,
karartma, boyama vs.) uygulanabilir. Sinter sonrası yapılan bu işlemlere
“İkincil İşlemler” denir.
|
|
|
Şekil. 4 –
Sinterleme işlemi koruyucu atmosferli ve vakumlu sinter fırınlarında yüksek
sıcaklıklarda gerçekleştirilir.Özel durumlar için kullanılan HIP fırınlar da
mevcuttur. |
Dizayn İpuçları:
Genel olarak plastik
ürünlerin imal edilmesinde kullanılan herhangi bir şekil veya form MIM teknolojisi
için de kullanılabilmektedir. Fakat her iki halde de bazı sınırlamalar
mevcuttur. İstenilen parça geometrisinin üretilmesini sağlayan araçlar
enjeksiyon kalıplarıdır. Enjeksiyon erimiş halde bulunan malzemenin basınçla
kalıp içerisindeki boşluğa (kavite) doldurulması işlemidir. Bir enjeksiyon
kalıbı kabaca; parça formunu oluşturacak kalıp kavitesini (kavite sayısı birden
fazla olabilir) taşıyan sabit ve hareketli plakalar, parça içerisindeki delik
ve boşlukları oluşturacak maçalar ve pimler, malzemenin kalıba dolmasını
sağlayacak yolluk sistemi, soğutma elemanları, parçanın kalıptan çıkarılmasını
sağlayan çıkarıcı pimler ve kalıp hamillerinden meydana gelmektedir. Şekil.5
bir enjeksiyon kalıbının parçalarını göstermektedir.
|
|
|
Şekil. 5 – Bir
enjeksiyon kalıbının çalışma prensibi |
MIM parçalar için dizayn
parametreleri; uniform cidar kalınlığı, boşluk ve deliklerin şekli, kalıp
doldurma (enjeksiyon) noktasının konumu, çıkarıcıların yerleri, kenar ve köşe
geçişleri, vida (diş) porifili, kalıp ayrılma hattı, dip/iç boşaltmalar ve
kombine edilebilecek parça geometrileridir. Uniform cidar kalınlığı sinterleme
esnasındaki çarpılmalardan kaçınmak için kritik bir faktördür. Farklı kesit
kalınlıklarına sahip bir parçanın farklı çekme oranlarına sahip olması parçanın
boyutsal olarak kontrol edilebilmesini zorlaştırır. Bu nedenle çeşitli boşaltma
teknikleri uygulamak suretiyle hem malzemeden tasarruf edilmiş olunur, hem de
homojen bir kesit yapısı teşkil edilebilir (Bak. Şekil. 6) .
|
|
|
Şekil. 6 – Uniform
cidar kalınlığı sinterleme esnasındaki çarpılmalardan kaçınmak için kritik
bir dizayn faktörüdür. |
Malzemenin kalıba doldurulduğu
noktaya enjeksiyon noktası (veya patlama noktası) denmektedir. İdeal durumda
enjeksiyon noktası kalın kesitten ince kesite doğru kalıbı dolduracak şekilde
yerleştirilmelidir. Malzeme akışı kalıp içerisindeki kavite duvarlarına ya da
bir pime etki ederek gerçekleşmelidir. Tersi durumda katmer oluşumu, iç
gerilimli topaklanmalar ve parça yüzeyinde akış çizgileri gibi istenmeyen
olaylar meydana gelebilir. Günümüzde bir çok MIM parçası üretkenliğin
arttırılması amacıyla birden fazla sayıda kavitesi bulunan kalıplarda
basılmaktadır. Kavitelerin birbirleriyle idantik olmaları gerekmektedir. Ayrıca
kalıp setine ait yolluk ve besleyici sistemi her bir kaviteye eşit miktarda
malzeme akışını temin edecek biçimde tasarlanmalıdır. Enjeksiyon işlemi sonrasında
parçanın kalıptan çıkarılması itici (veya çıkarıcı) pimler vasıtasıyla olur.
Ayrıca derin delikler ve girintilerin yakalanması amacıyla kalıplara 0.5°- 2°
arasında bir koniklik de verilebilmektedir. İtici pimlerin parça üzerinde
minimum iz bırakmasını sağlayacak şekilde düzgün yapılması önemlidir. İç
gerilmelere neden olması sebebiyle keskin köşe ve uç noktalarından
kaçınılmalıdır. Mümkün mertebe büyük radyüs veya açı ile geçişler yapılmalıdır.
Tipik olarak (iç veya dış) radyüs değerleri
|
|
|
Şekil. 7 – MIM
Teknolojisinde dizayn opsiyonları |
MIM Teknolojisinde
Sınırlar:
Teorik olarak MIM
teknolojisinde parça büyüklüğü ve geometrisi açısından bir limit yoktur. Ancak
ekonomik açıdan bazı sınırlar mevcuttur. MIM teknolojisi göreceli olarak küçük
(0.1-
|
Boyut Faktörü |
Minimum |
Önerilen |
Maksimum |
|
|
En Büyük Ölçü (mm) |
0.1 |
5-50 |
150 |
|
|
Kesit Kalınlığı (mm) |
0.1 |
1-7 |
10 |
|
|
Ağırlık (g) |
0.05 |
0.5-50 |
200 |
Tablo. 1 - MIM Parçalar için büyüklük kısıtları
Yeni bir parça söz
konusu olduğunda en fazla sorulan sorulardan biri de MIM teknolojisi ile elde
edilebilecek ölçü toleranslarının ne olabileceğidir. Genel olarak kritik ölçülerde
nominal değerin +/- %0.3 (binde üç) ‘ü , ancak alt sınır olarak da +/-
Ra= 0.4-2 mikron
arasında olup, kullanılan malzeme cinsine göre farklılık göstermektedir. Ancak
yine de MIM parça yüzey kalitesi hassas döküme göre çok daha iyidir.
|
Toleranslar |
En İyi |
Genel |
|
|
Nominal Ölçü |
+/- |
+/- %0.3 |
|
|
Açı |
+/- 20‘ (dk) |
+/- 30‘ (dk) |
|
|
Yoğunluk |
%99.7 |
%95 |
|
|
Yüzey Pürüzlüğü (Ra) |
0.4 mikron |
2 mikron |
Tablo. 2 - MIM Parçalar için tolerans kısıtları
MIM ve Diğer
Teknolojiler:
MIM teknolojisi karmaşık
ve zor parçaların kaliteli bir biçimde ve yüksek miktarlarda üretilmesini
gerektiren durumlarda diğer imalat teknolojilerine göre avantaj taşımaktadır.
Yüksek yüzey kalitesi, dar ölçü toleranslarını karşılayabilme kabiliyeti,
yüksek yoğunluk nedeniyle üstün malzeme mekanik özellikleri, seri imalata
yatkın prosesleri, malzeme tasarrufu sağlayan dizayn ve imalat opsiyonları,
çevresel faktörler ve geri dönüşüm açısından gelişmiş uygulamaları ve hepsinden
öteye maliyet avantajı MIM teknolojisinin diğer üretim metodlarına göre başlıca
üstünlükleridir.
|
|
|
|
Şekil. 8 – İmalat
Teknolojilerinin Parça Karmaşıklığı ve Üretim Miktarı Parametreleri Açısından
Uygulama Alanları |
|
Şekil 8, parça
karmaşıklığı ve üretim miktarları açısından imalat teknolojilerinin optimum
çalışma alanlarını göstermektedir. Düşük ve orta karmaşıklık derecesine sahip
parçaların 10.000 adet civarına kadarki üretimlerinde talaşlı imalat metodu
avantajlı görünürken, bu tip parçalarda adedin yükselmesi durumunda ve malzeme
mekanik özelliklerinin yeterli olması halinde toz metalürjisi üstünlük
taşımaktadır. Orta karmaşıklık derecelerinde ve yüksek miktarlarda basınçlı
döküm yöntemi bir seçenek oluşturmaktadır. Parça karmaşıklığının artması ve
kompleks şekillerin söz konusu olmasıyla birlikte pratikte hassas döküm
teknolojisi kendini göstermeye başlamaktadır. Ancak burada da üretim miktarı
açısından hassas döküm metodu 10.000 adet civarına kadar üstünlüğünü koruyabilmekte,
yüksek üretim hacimlerinde maliyet avantajını koruyamamaktadır. Bu bölge için
sadece MIM teknolojisi ihtiyaçlara cevap verebilen tek seçenek olarak karşımıza
çıkmaktadır. Maliyet açısından bir değerlendirme yapıldığında da orta
karmaşıklık derecelerine kadar sadece toz metalürjisi parçaların MIM’den ucuz
kalabildiği diğer teknolojilerin MIM’den pahalı olduğu görülmektedir. Ancak toz
metalürjisi de kompleks parçalara doğru geçtikçe parça formunu oluşturmada
yetersiz kalması nedeniyle devre dışı kalmaktadır (Bakınız Şekil-9). İmalat
teknolojilerinin çeşitli parametreler açısından karşılaştırılması Tablo. 3 ‘de
verilmiştir.
|
|
|
Şekil. 9 - Üretim
Maliyetlerinin Parça Karmaşıklığına Göre Karşılaştırılması |
|
Karakteristik |
MIM |
Hassas Döküm |
Geleneksel Toz
Metalürji |
Talaşlı İmalat |
|
Yoğunluk |
97% |
100% |
85% |
100% |
|
Uzama |
Yüksek |
Orta |
Düşük |
Yüksek |
|
Çekme mukavemeti |
Yüksek |
Yüksek |
Düşük |
Yüksek |
|
Sertlik |
Yüksek |
Yüksek |
Düşük |
Yüksek |
|
Karmaşık parça üretim kabiliyeti |
Yüksek |
Orta |
Düşük |
Orta |
|
Yüzey kalitesi |
Yüksek |
Orta |
Orta |
Yüksek |
|
Maliyet |
Düşük |
Orta |
Düşük |
Yüksek |
|
Üretim miktarı |
Yüksek |
Orta |
Orta |
Düşük |
Tablo. 3 – İmalat Teknolojilerinin Çeşitli Parametreler Açısından Kıyaslanması
MIM Teknolojisinin Uygulama Alanları:
MIM teknolojisinin henüz
emekleme safhasında bir imalat tekniği olduğu belirtilmektedir. Ancak her geçen
gün yeni bir MIM parçanın devreye girmesi ile ateşli silahlar, otomotiv, tıp,
el aletleri, elektronik, optik, havacılık, beyaz eşya, tüketim malları gibi bir
çok endüstri kolunda uygulama alanı bulduğu görülmektedir. Kuşkusuz MIM
teknolojisinin sınırları genişledikçe, kısa bir süreç içerisinde ve tıpkı
plastik malzemelerin hayatımıza girdiği gibi yaygınlaşarak geniş bir Pazar
yaratacağı öngörülmektedir. Aşağıda çeşitli endüstri kollarına göre bu zamana
kadar yapılmış MIM uygulamalarından örnekler verilmektedir:
Ateşli Silahlar: Günümüzde tabanca,
tüfek, av tüfeği mekanizmalarına ait bir çok parçanın MIM teknolojisi ile
üretilmesi oldukça yaygındır. Bu parçalar göreceli olarak küçük, karmaşık ve
finiş olarak hassas özelliklere sahiptir. Bir ateşli silahta böyle 10-20 adet
farklı tipte küçük parça bulunmaktadır. Gez ve Arpacık, Sürgü, Tetik, Tırnak,
Horoz, Emniyet Pimi, Ejektör, Mekanizma, Çıkarıcı, Şarjör Kilidi ve diğerleri.

Şekil. 10 – Ateşli Silah Endüstrisi MIM için ideal bir uygulama alanıdır.
Otomotiv: Emniyet mekanizmaları -özellikle Air Bag sistemi parçaları,
Sinyal üniteleri, Yakıt Enjeksiyon Sistemleri, Fren (ABS) sistemleri, Turbo
doldurucular, Kapı ve Kilit Mekanizmaları, Direksiyon ve Aksesuarlar için kol,
pim, levye vs. gibi yapı elemanları, Selenoidler ve elektrik sistemi için
muhtelif parçalar.

Şekil. 11 – MIM parçaların otomotiv endüstrisinde kullanımı gittikçe
artmaktadır.
Tıp ve Medikal Endüstri: Medikal amaçla kullanılan parçalar genellikle
316L, 420,

Şekil. 12 – Medikal uygulamalar için MIM parçalara örnekler.
El Aletleri Endüstrisi: Elektrikli matkaplar, tornavidalar, testereler,
vidalama ekipmanları gibi el aletleri için çeşitli metal parçalar, Matkap
ayakları, Transmisyon parçaları, Mekanik parçalar vs. Tipik Malzemeler AISI
4340 (sertleştirilmiş) ve 2% NiFe (yüzey sertleştirilmiş)

Şekil. 13 – El Aletleri Endüstrisinde kullanılan MIM parçalara örnekler.
Elektronik Endüstrisi: Çeşitli elektronik
gereçler için metal parçalar (harddisk göbekleri, dizüstü bilgisayarlar için
menteşe ve kilitler), Telekomünikasyon Cihazları (Cep telefonları, telsiz vs.),
Ofis Ekipmanları, Yazıcılar, Fotokopi makinaları, Fotoğraf Makinası ve Kamera
parçaları vb.

Şekil. 14 – Elektronik Endüstrisinde kullanılan MIM parçalara örnekler.
Sonuç:
Görece küçük, karmaşık
şekilli, hassas toleranslı parçaların, yüksek mekanik özelliklere sahip metal
malzemelerden kaliteli bir biçimde ve büyük miktarlarda üretilmesi geleceğin
imalat teknolojisi olarak gösterilen Metal Enjeksiyon Kalıplama – MIM yöntemi
ile yapılmaktadır. Dizayn mühendislerine klasik imalat metodlarının ötesinde
bir imkan sunan MIM, tasarım ve üretimde sınırların zorlanmasına neden
olmaktadır. Henüz emekleme safhasında bulunan MIM teknolojisinin günümüzdeki
ağırlık merkezleri Amerika, Batı Avrupa ülkeleri, İsrail, Çin ve Hindistan
olarak görülürken, metod maalesef ülkemizde bilinmemektedir. Ancak MIM
teknolojisi, 1960’lardan sonra hayatımıza büyük bir hızla giren ve hemen hemen
her alanda kullanılmaya başlanan silikon vadisi ürünleri gibi yüksek bir
gelişme ve yayılma eğilimi göstermektedir. Daha şimdiden İsviçre’deki büyük
saat imalatçılarının ya da İtalya’daki ünlü gözlük üreticilerinin veya
Amerika’nın dev telekomünikasyon cihazları üreten firmalarının, ürünlerinin
metal aksamlarının tamamına yakın kısmını MIM teknolojisiyle tasarlayıp imal
etmesi dikkatleri bu yöne çekmektedir.
MIM Teknolojisinde
Kullanılan Bazı Malzemeler:
Paslanmaz Çelikler:
Yüksek Mukavemetli Düşük Alaşımlı Çelikler:
Sementasyon Çelikleri:
Yumuşak Manyetik
Malzemeler:
Yüksek Alaşımlı Özel
Malzemeler:
Diğer Malzemeler: