Giriş:

Metal Enjeksiyon Kalıplama (MIM-Metal Injection Moulding) Teknolojisinde mühendisler metal ve plastik bağlayıcıların karışım formülünü keşfettiklerinde ve karışım malzemenin kendini çekme özelliğini yönetmeye başladıklarında adeta birer büyücüye dönüşüyorlar: Onlar artık çok hassas toleranslara sahip MIM parçaları üretebilir, aynı malzemeden farklı büyüklüklerde ya da farklı malzemelerden aynı büyüklükte ürünler elde edebilirler. Ve bunların hepsini tek bir kalıp seti ile yapabilirler. Daha da ötesi; kalıp setleri işleme hataları içerse dahi bunu başarabilirler.

Metal Enjeksiyon Kalıplama ya da literatürde bilinen adıyla MIM teknolojisi özet olarak şu aşamalardan meydana gelmektedir: Metal tozları sıcak olarak organik bağlayıcılarla karıştırılır. Homojen ve uniform olarak elde edilen karışım soğutularak granülize edilir. Belli bir granül büyüklüğüne sahip malzeme enjeksiyon preslerinde kullanılır. 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. 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. Bu aşamada elde edilen parçaya "Kahverengi Parça" denmektedir. Bir sonraki adımda parçalar sinterlenerek istenilen ölçü, yoğunluk ve mekanik özelliklere uygun şekilde katılaştırılır. 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.

MIM, özellikle kompleks şekilli, mikro-hassas ve göreceli olarak küçük parçaların elektronik, havacılık, el aletleri, ateşli silahlar, tıp, otomotiv ve diğer endüstriler için ekonomik biçimde ve seri bir şekilde üretilmesine imkan tanıyan bir yöntemdir. Mikromotorlar, aktivatörler, sensörler, ısı eşanjörleri, filtreler, mikrovalfler ve pompalar, medikal enstrumanlar, biomedikal implant parçaları ve benzerleri bazı uygulama alanlarına ait örneklerdir.

Fırsatların bulunduğu diğer bir alan da kitle üretimi gerektiren tüketim mallarıdır. Teknolojinin eksponansiyel olarak gelişmesi ve dünya pazarlarının globalleşmesi bilgisayar, cep telefonu, saat ve elektronik endüstrisinin sayısız çeşitteki maharetli aletlerini üreten firmalarını kıyasıya rekabet etmeye zorlamaktadır. Üreticiler, giderek daha eğitimli hale gelen ve ince detayları farkedebilen tüketici toplumu karşısında ayakta kalabilmek için hızlı hareket etmek ve ürünlerinin dizaynlarını sürekli geliştirmek zorunda kalmaktadır. Ayrıca sadece teknolojideki hızlı değişime ayak uydurmakla yetinmeyip, çok daha fazla fonksiyonelliğe ve estetik çekiciliğe sahip yeni ürünler pazara sunmaktadırlar (örneğin farklı şekiller ve boyutlar, değişik malzemeler ve çeşitli renk ve özellikte yüzey görünümleri).

Şekil.1 - MIM ile Üretilmiş 316L Paslanmaz Çelikten Kilit Silindir Yuvası

Tüm bunların bir sonucu olarak tüketim mallarının ekonomik ömrü gittikçe kısalmaktadır. Saat, bilgisayar, cep telefonu gibi ürünlerde bu süre 6 aya kadar düşmüştür. Eskimiş ürünlerin yerine yenilerini sunmak kalıp imalatına sürekli ve büyük bir yatırım yapmayı gerektirmektedir. Hammadde ise pahalı ve bulması zor bir kaynaktır. Talaşlı imalat özellikle küçük boyutlu ve hassas parçalar sözkonusu olduğunda zor ve maliyetli bir yöntemdir. Yüksek bozuk oranı ve geri dönüşüm güçlüğü dezavantaj teşkil etmektedir. Bu noktada MIM teknolojisinin göreceli olarak düşük sermaye ihtiyacı (basit olarak bir plastik enjeksiyon imalat atölyesinin gerektirdiği kadar) küçük ve hassas parçaların üretimi konusunda bu metodu çekici kılmaktadır, hatta tavsiye edilmektedir. MIM'in ikincil işlem gerektirmeyen (veya çok az gerektiren) bitmiş parça çıkarabilme kabiliyeti, talaşlı imalata yapılacak makine ve takım yatırımlarını ortadan kaldıracağı gibi, talaşlı işlem maliyetlerini de azaltacaktır. Kullanılan malzemenin neredeyse %100'ünden faydalanılması çevresel etkiler açısından da en az (veya hiç) malzeme ziyanı ve kirletici atık çıkmaması nedeniyle tercih edilmektedir. MIM parçalar genellikle malzeme özellikleri, yüzey kaliteleri, imalat toleransları ve seri üretime yatkınlıkları bakımından üstün nitelikler göstermektedir.

MIM, yeni kalıp maliyetlerinin azaltılması veya mevcut kalıpların yeni ürünlere adapte edilmek suretiyle fonksiyonelliklerinin uzatılması konusunda da avantajlara sahiptir. Kuşkusuz bu durum, tek bir kalıp seti kullanarak aynı malzemeden boyutları farklı ürünlerin elde edilebilmesi suretiyle sağlanabilecektir. Hatta aynı kalıp setinin farklı malzemelerden ancak birbirinin aynı parçaların üretilebilmesi için kullanılması faydayı daha da arttıracaktır. Örneğin plastik bir saat gövdesi üretmek için dizayn edilmiş bir kalıp seti, farklı büyüklüklerde paslanmaz çelik gövdeler imal etmek için de kullanılabilmektedir (genç modeli, bayan ya da çocuk modelleri vs. gibi). Bu kalıp seti aynı zamanda farklı malzemelerden ancak aynı ölçülerde saat gövdesi imal etmek için de kullanılabilir (paslanmaz çelik, sert maden, titanyum, zirkonyum vs. gibi).

Şekil.2 - MIM prosesi özellikle küçük parçaların seri imalatına uygundur. Bilgisayar harddisk komponentleri örneklerden sadece biridir.

MIM prosesi hep böyle avantajlar ve fırsatlar sunan bir teknoloji midir? Ne yazık ki hayır. Tüm diğer teknolojiler gibi MIM de kendine özgü problemler taşımaktadır. MIM prosesinin başlıca karakteristiği sinterleme esnasında parçalarda meydana gelen yüksek miktardaki kendini çekme (büzülme) olayıdır. Yeşil parçalar içerisindeki yüksek orandaki organik bağlayıcı (hacimsel olarak % 40-60), kimyasal ve termal ayrıştırma işlemleri sonucunda yapıdan çıkarıldığında, işgal ettikleri yerler açık por (boşluk) haline dönüşür. Daha sonra sinterleme esnasında bu porlar kapanarak, parça yoğunluğu teorik malzeme yoğunluğunun %96'sına ulaşır. Eğer sinterleme sonrası HIP (Hot Isostatic Pressing) uygulanırsa yoğunluk %99,8 'e kadar yükselebilir. Sinterleme esnasındaki bu kendini çekme tek boyutta lineer olarak % 15-25 arasındadır. Bu değerler diğer imalat metodlarında pek de duyulmamış bir özelliktir (belki sadece sert maden-cemented tungsten carbur, üretiminde görülebilir). İşte yüksek oranlı bu kendini çekme MIM'in en büyük avantajını oluşturur: Kalıp kaviteleri bitmiş parçaya göre daha büyük yapılır ve sinterleme sonrasında parçalar küçülerek istenen ölçüler elde edilir. Parçaların verilen toleranslar içerisinde imal edilebilmesi için kendini çekme oranının çok hassas bir şekilde belirlenmesi ve kalıp imalatında göz önüne alınması gerekmektedir. Fakat bu söylenildiği kadar kolay değildir.

Şekil.3 - Çelik saat kayışlarına ait komponentlerin MIM dışında başka bir imalat metodu ile ekonomik şekilde üretilmesi mümkün değildir.

Her bir hammadde (karışım), ister MIM parça üreticisi tarafından hazırlansın ister ticari olarak hammadde satıcılarından hazır alınsın kendi "gerçek büzülme faktörüne" sahiptir. Bu nedenle MIM teknolojisindeki ilk adım karışımın kendini çekme oranını mümkün olduğunca doğru ve hassas olarak tesbit etmektir. Eğer karışım MIM parça üreticisi tarafından hazırlanmışsa, bilinen gerçek büzülme faktörünün hassasiyeti ve bunun bir şarjdan diğerine sürekli olarak aynı değerde sağlanabilmesi (standart sapma değeri ile ölçülmektedir), formül hazırlayıcının proses tekniğine, üretim şartlarına, metroloji standartlarına ve firmanın kendi deneyimlerine bağlıdır. MIM parça üreticilerine ticari olarak hammadde temin eden firmalar da kendi karışımlarına ait büzülme faktörünü (çoğunlukla silindirik metal test çubukları kullanarak) belirlerler. Yine karışımın büzülme faktörünün hassasiyeti formül hazırlayıcının proses tekniğine, üretim şartlarına, metroloji standartlarına ve firmanın kendi deneyimlerine bağlıdır. Sadece bu kez karışımın son kullanıcısı değişkenler üzerinde kontrola sahip değildir.

Hazır karışım satın alan bir firma, çoğu kez hammadde üreticisi tarafından verilen büzülme faktörünün doğruluğunu kontrol edecek zamana sahip değildir (sahip de olmamalıdır). Hele bu faktörün bir şarjdan diğerine aynı hassasiyetle sağlanıp sağlanmadığını hiç takip etmeyecektir. Bunun yerine, karışım satın alan firma kalıphanesine güvenmekte ve oraya yatırım yapmaktadır. Çünkü kalıphane yatırımlarının ölçülmesi daha kolaydır ve sürekli takip edilebilecek bir büyüklüktür.