El moldeo por inyección de polvos, PIM (Powder Injection Moulding) y su variante aplicada a los metales (MIM, “Metal Injection Moulding”) constituye una tecnología de conformado de materiales desarrollada a mediados del siglo XX y que ha experimentado un gran avance, fundamentalmente, en los últimos años.

Se fabrican por esta vía componentes para la industria médica, militar, aeroespacial, telecomunicaciones, automoción, etc., con formas complejas, de propiedades mecánicas elevadas y con la forma y acabado casi final.

Es un proceso de conformación que combina la flexibilidad y alta productividad de la inyección de termoplásticos con las prestaciones mecánicas de las piezas metálicas.

Gracias a esta combinación de ingenierías de fabricación, se pueden obtener competitivamente productos con altas prestaciones mecánicas y morfológicamente complejos.

Proceso

El moldeo por inyección de metales (MIM) produce piezas metálicas sólidas utilizando la tecnología de moldeo por inyección. Este proceso consta de cuatro etapas:

Preparación de los polvos

La materia prima para este proceso es una mezcla de polvos metálicos y un ligante termoplástico. La mezcla es calentada, mezclada, enfriada y granulada para obtener una materia prima homogénea, denominada “granza”.

Moldeo

La materia prima en forma de granza es colocada en una tolva desde la que es introducida en una cámara en la que es calentada y fundida e inyectada en el molde, donde se enfría y solidifica con la forma de la pieza. Obteniendo así la pieza llamada compacto en verde. Para esta etapa se puede utilizar el mismo equipamiento y herramientas que para la inyección de plásticos.

Eliminación del ligante

Este paso consiste en eliminar la mayor parte del ligante. Con este fin se pueden utilizar varios métodos como degradación térmica, extracción con disolventes, extracción catalítica, etc. Después de esto obtenemos las piezas que son llamadas compactos en marrón que son muy delicados y frágiles.

Una vez extraída la pieza moldeada, y eliminados los canales de alimentación, el ligante debe ser eliminado del compacto. Esta es la operación más delicada de todo el proceso. porque es donde más defectos se pueden producir en el procesado de las piezas.

Sinterizado

Normalmente, esta es la última etapa del proceso de moldeo por inyección en la cual la pieza adquiere su máxima densidad.

La etapa es similar a la de otros procesos pulvimetalúrgicos.

La sinterización permite el enlace de las partículas cuando estas se activan por los procesos de difusión a alta temperatura. A escala microscópica este enlace ocurre por formación de cuellos cohesivos en la zona de contacto entre partículas, que van creciendo, disminuyendo o desapareciendo el número de poros.

En esta etapa el compactado en marrón es sinterizado a una temperatura en torno al 85% del punto de fusión del metal. Obteniendo así una pieza de alta densidad con la consecuente reducción de volumen (cercana al 20% en la mayoría de los casos).

El moldeo por inyección se utiliza de forma general para la producción de piezas de plástico. Para conseguir piezas de materiales metálicos o cerámicos es necesario obtener previamente mezclas de estos materiales en polvo con polímeros, normalmente termoplásticos, y posteriormente pasar a la etapa de inyección como si se tratara de un plástico. Tras el proceso de obtención de la pieza se procede a la eliminación del aglomerante o ligante polimérico y posteriormente a la sinterización.

Para la obtención de piezas por moldeo por inyección de polvos se tienen que seguir las etapas que se muestran en la figura: selección del polvo y ligante polimérico, mezcla homogénea del polvo con el ligante, granulado de la mezcla, conformado por inyección en un molde, eliminación del ligante, y sinterización. Posteriormente las piezas obtenidas pueden ser sometidas a operaciones secundarias de acabado.

En pulvimetalurgia convencional se denomina compacto en verde a la pieza tras la etapa de compactación, mientras que en el proceso MIM, al existir una etapa intermedia de eliminación del ligante, la terminología utilizada es la de compacto en verde para las piezas tras la inyección y compacto en marrón para la piezas tras la eliminación del ligante (debido al color característico que adquieren las piezas después de esta etapa).

Características de los polvos

Pequeño tamaño de partícula, normalmente inferiores a 20 μm.

En principio, una distribución de tamaños de partícula amplia para conseguir un mayor empaquetamiento, pese a dificultar la eliminación del ligante.

No deben aglomerarse.

Deben ser esféricos y tener una determinada fricción entre partículas para mantener la forma una vez eliminado el ligante.

Las partículas de polvo no deben contener poros y han de tener una superficie limpia para lograr una buena interacción con el ligante.

No deben ser tóxicos ni pirofóricos.

Los polvos para moldeo por inyección son principalmente atomizados en gas, aunque también los hay atomizados en agua. En ambos casos el tamaño de partícula deseado se obtiene por cribado.

Ligantes

El ligante es el componente sacrificado en el moldeo por inyección, aunque es crítico tanto a la hora del moldeo como de su eliminación. Es el medio utilizado para mantener las partículas unidas con el fin de obtener la forma deseada. Por ello el ligante no debe condicionar la composición de la pieza final, excepto si se desea que los productos residuales de su eliminación sirvan de aleantes.

La selección previa se realiza no sólo por su viscosidad, contracción en el enfriamiento, compatibilidad interfacial, sino también por la posible contaminación que pueda sufrir el material final durante el proceso.

La inyección de las mezclas ligante-polvo puede realizarse a baja y alta presión.

En el primer caso se utilizan masas de inyección de gran fluidez a temperaturas inferiores a 100ºC. La mezcla del material en polvo con el material ligante se prepara y almacena en la propia máquina. Dicha mezcla se inyecta a baja presión en el molde donde se solidifica por enfriamiento. Este sistema ofrece la ventaja de la facilidad de preparación de la mezcla y de utilización de masas fluidas fáciles de transportar, sin apenas rozamiento con las paredes  de la máquina y del molde. Sin embargo presenta la desventaja de la tendencia a la segregación de los componentes metálicos de los orgánicos.

Las máquinas con inyección de alta presión trabajan con masas viscosas que impiden dicha segregación, pero que para su introducción en el molde requieren altas presiones (del orden de 100 veces las de baja presión).

La consistencia viscosa de la mezcla da lugar a composiciones homogéneas dentro de cada pieza y de una pieza a otra (reproducibilidad).

Por otro lado, para poder conseguirlo se requieren máquinas más complicadas y costosas. Se usan tanto de émbolo como de tornillo helicoidal.

Productos

Mediante este método se producen piezas complejas y de pequeño tamaño (normalmente hasta 100 gramos). Para que este método sea rentable son necesarios altos volúmenes de producción.

El moldeo por inyección de metales presenta varias ventajas con respecto a los procesos de pulvimetalurgia convencional:

  • Mejores propiedades: es posible conseguir porosidades de entorno al 2% obteniendo por este método mayor resistencia mecánica, menor corrosión y propiedades magnéticas mejoradas.
  • Flexibilidad en el diseño similar a la inyección de plásticos.
  • Posibilidad de producir mayores detalles.