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 165-180 °C sıcaklıkta gerçekleştirilir ve tipik bir enjeksiyon çevrimi 20 sn 'dir. Enjeksiyon işlemi ile "Yeşil Parça" adı verilen, metal ve plastik bağlayıcının bir arada bulunduğu ve henüz herhangi bir metalik bağlantı içermeyen, parçalar çekme payları da dikkate alınarak istenilen geometri ve biçimde şekillendirilir. Enjeksiyon sonrası parçaların gözle muayenesi yapılarak, ağırlık ve yoğunluk kontrolları gerçekleştirilir. Daha sonra bağlayıcı plastik maddeler yapıdan dikkatli bir şekilde uzaklaştırılır. Ayrıştırma adı verilen bu işlem iki aşamada gerçekleştirilir: Kimyasal ayrıştırma işleminde yağlar organik bir çözücü içerisinde (solvent) eritilmek suretiyle yapıdan çıkarılır. Termal ayrıştırma işleminde ise termo-plastik maddeler düşük sıcaklıktaki ön-sinterleme fırınlarında yakılmak suretiyle bertaraf edilir.

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.