金属射出成形（MIM）は、粉末冶金分野において急速に発展し、非常に有望なニアネットシェイプ成形技術として登場しました。世界的に「最も注目されている金属部品成形技術」の一つとして認識されています。
この記事では、金属射出成形プロセスの基礎、プロセス、利点、他のプロセスとの比較、適切な部品の種類、用途など、基本的な知識を紹介します。
エンジニアにとって、金属射出成形プロセスを学習して理解することは、コスト削減の大きな機会をもたらすことが多いため、効果的な製品設計に不可欠です。
金属射出成形とは？
金属粉末射出成形（MIM）は、金属粉末をバインダー系と混合して射出成形する方法です。このプロセスは、まず選択された粉末をバインダーと混合し、次に混合物をペレット化して所定の形状に射出します。脱脂と焼結によりバインダーが除去され、目的の金属製品が得られます。その後、サイジング、表面処理、熱処理、機械加工などの工程を経て、製品をさらに改良することができます。
金属射出成形 = 粉末冶金 + 射出成形。 金属射出成形（MIM）は、粉末冶金とプラスチック射出成形という全く異なる2つの加工方法を統合した、まさに学際的な技術です。この統合により、エンジニアは従来の設計制約から解放され、プラスチック射出成形技術を用いてステンレス鋼、ニッケル、鉄、銅、チタンなどの金属で低コストかつ複雑な形状の部品を製造することができます。これにより、他の多くの製造プロセスよりも大きな設計自由度が得られます。
金属射出成形プロセス
金属射出成形プロセスは、造粒、射出成形、溶剤脱脂、熱焼結の4段階に分かれています。機械加工、ブラッシング、あるいは 電気メッキ 必要に応じて実行できます。
1.造粒
微細金属粉末は、バインダーおよび熱可塑性プラスチックと正確な割合で混合されます。この混合は、バインダーを溶融するために特定の温度に加熱された専用装置で行われます。多くの場合、金属粉末粒子が均一にコーティングされるまで機械的な混合が用いられます。冷却後、混合物は金型キャビティに注入可能な顆粒（原料）を形成します。
2。 射出成形
造粒された原料は射出成形機に供給され、加熱された後、高圧下で金型のキャビティに注入され、「グリーンパーツ」が製造されます。このプロセスはプラスチック射出成形と非常によく似ています。生産性を向上させるために、金型は複数のキャビティを持つように設計されることがあります。キャビティの寸法は、金属部品の焼結プロセス中に発生する収縮を考慮する必要があります。
3. 溶剤脱脂
脱脂とは、グリーン部品からバインダーを除去して「茶色の部品」を得る工程です。この工程は通常、複数のステップで完了します。バインダーの大部分は焼結前に除去され、残りの部分は焼結炉に入る際に部品を支える役割を果たします。
脱バインダーは様々な方法で行うことができますが、最も一般的なのは溶媒抽出法です。脱バインダー処理後、部品は半透性となり、焼結段階で残留バインダーが容易に揮発します。
4. 熱焼結
脱バインダー処理された茶色の部品は、高温高圧に制御された炉に入れられます。茶色の部品は保護雰囲気下でゆっくりと加熱され、残留バインダーが除去されます。バインダーが除去された後、部品は超高温に加熱され、粒子間の隙間がなくなり、融合します。茶色の部品は設計寸法まで方向性収縮を起こし、緻密な固体へと変化し、最終製品となります。
焼結プロセス中、茶色の部分の全体的な寸法は約 20% 収縮します。
金属射出成形の利点
金属射出成形（MIM）は、粉末冶金とプラスチック射出成形の利点を融合させ、従来の金属粉末成形における形状限界を打ち破ります。プラスチック射出成形の能力を活用し、複雑な形状の部品を高効率で大量生産することが可能です。高品質精密部品のニアネットシェイプ技術として、従来の粉末冶金、CNC加工、精密鋳造とは比較にならない利点を提供します。
非常に複雑な部品を成形する能力
板金スタンピング、粉末冶金、鍛造、その他の金属成形プロセスと比較して、 CNC加工金属射出成形（MIM）は、非常に複雑な3D形状の部品を成形できます。一般的に、プラスチック射出成形で実現可能な構造は、金属射出成形でも実現可能です。この特徴により、MIMは、元々は他の工程で製造された複数の部品を単一の部品に統合することが可能となり、製品設計の簡素化と組み立てコストの削減につながります。
高い材料利用率
金属射出成形（MIM）は、部品の形状が最終形状に近いニアネットシェイプ成形プロセスです。材料利用率が高く、特に貴金属加工時のロス削減に有効です。
均一な微細構造
金属射出成形（MIM）は流体成形プロセスです。バインダーの存在により粉末の均一な分布が確保され、微細構造の不均一性が排除され、焼結製品は理論密度の95%～99%に達することができます。この高密度化により、強度、靭性、延性、導電性、そして磁気特性が向上します。
一方、従来の粉末冶金では、金型壁と粉末間の摩擦により密度が約85%にしか達せず、圧力分布の不均一性と収縮の不均一性が生じます。その結果、気孔率が高くなり、機械性能が低下するため、これらの影響を軽減するために焼結温度を低くする必要が生じることがよくあります。
高い効率性と拡張性
金属射出成形（MIM）は、射出成形機を用いてグリーンパーツを成形するため、生産効率が大幅に向上し、大量生産に適しています。成形品の均一性と再現性は、大規模な工業生産の保証となります。
幅広い材料
金属射出成形（MIM）に適した金属材料の範囲は非常に広く、原理的には、高温で焼結できるあらゆる粉末材料、特に難加工材料や高融点材料であっても、MIMで加工可能です。
材料には、低合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼、ニッケル基合金、タングステン合金、炭化物、チタン合金、磁性材料、コバール合金、ファインセラミックスなどがあります。さらに、金属射出成形（MIM）では、カスタム合金配合による複合材料の製造も可能です。アルミニウムや銅などの非鉄合金も技術的には可能ですが、通常はより経済的に加工できます。 ダイカスト または機械加工。
| 材料 | 学年 | 用途 |
| 低合金鋼 | 4605、4140 | 自動車、機械、その他の産業向けのさまざまな構造部品 |
| ステンレス鋼 | 316L、17-4PH、420、440C | 医療機器、時計部品 |
| 超硬合金 | B771 | 各種切削工具、時計、腕時計 |
| セラミック | ASTMC1161 | IT家電、日用品、時計 |
| チタン合金 | Ti-6Al-4V | 医療および軍事構造部品 |
| 磁性材料 | ASTM A753 | さまざまな磁気部品 |
高精度
金属射出成形部品の寸法精度は通常±0.5%ですが、精度レベルは±0.3%以上に達します。小型部品の場合、金属射出成形は他の鋳造プロセスよりも精度が高く、二次加工が不要になる場合が多くあります。他のプロセスと同様に、高い精度が求められるとコストが上昇するため、性能が許す限り、適度な公差が推奨されます。初期成形では達成できない公差は、表面処理によって実現できます。
他のプロセスとの比較
| 属性 | 金属射出成形 | 粉末冶金 | インベストメント鋳造 | CNC加工 |
| 重量（g） | 0.01 – 1000 | 5g～1kg | > 1 | > 1 |
| 許容値（％） | <0.3 | 0.1 | 0.5 – 1.0 | <0.1 |
| 密度 （％） | 98 – 99 | 85 – 92 | 95 – 99 | 100 |
| 強さ （％） | > 97 | 75 | > 95 | 100 |
| 表面粗さ（μm） | 1 | 1 – 5 | 5 | 0.2 – 4 |
| 壁の厚さ（mm） | 0.2 – 10 | > 2 | > 2 | > 1 |
| 複雑 | ハイ | ロー | 技法 | ハイ |
| 設計の柔軟性 | ハイ | 技法 | 技法 | ロー |
| 生産能力 | ハイ | ハイ | ロー | ロー |
| 材料範囲 | ハイ | 技法 | 技法 | 技法 |
| 費用 | 技法 | ロー | 技法 | ハイ |
金属射出成形に適した部品はどれですか?
金属射出成形（MIM）は第5世代の金属成形技術として知られていますが、すべての金属部品がこのプロセスに適しているわけではなく、経済的にも実現可能というわけでもありません。MIMに適したのは、複雑な3D形状と特殊な要件を備えた、大量生産、小型、精密な金属部品のみです。
| 特性 | 最小 | 分解能 | 最大 |
| 重量（g） | 0.03 | 10-15 | 300 |
| 寸法（mm） | 2.0 | 25 | 150 |
| 壁の厚さ（mm） | 0.025 | 1-3 | 15 |
| バッチサイズ（年間） | 1,000 | 100,000 | 100,000,000 |
小型軽量
金属射出成形は小型金属部品に最適です。典型的な部品の重量は10～15gです。50g未満の部品は最も経済的で、最大300gまで対応可能です。
小さな寸法
このプロセスは小型部品に最適です。典型的なサイズは約25mm、最大150mmです。金属射出成形（MIM）は、公差が一般的にサイズの0.3%から0.5%であるため、大型部品には適していません。サイズが大きくなるにつれて絶対公差が大きくなり、設計要件を満たさなくなったり、コストのかかる二次加工が必要になる場合があります。
金属射出成形部品の一般的な壁の厚さは 1.0mm ～ 3.0mm です。
複雑な形状
金属射出成形は、外面アンダーカット、外ねじ、テーパー、交差穴、止まり穴、ボス、キー溝、リブ、または表面ローレット加工のある部品に適しています。単純な形状であれば、スタンピング、鍛造、粉末冶金の方が経済的な場合があります。
バッチ量
金属射出成形には金型が必要となるため、金型コストを相殺するためには大量生産が必要です。一般的に、このプロセスが経済的に成立するには、年間100,000万個以上の生産量が必要です。
金属射出成形の応用例
金属射出成形は、家電製品、 自動車部品、医療機器、電動工具、産業機器、日用品など。
家電
これには、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、デジタルカメラ、ウェアラブルデバイス、ドローンなどが含まれます。2010年には、Blackberryのロゴ部分に金属射出成形（MIM）が採用され、携帯電話への大量採用が始まりました。2010年にはAppleもこれに続き、電源コネクタ、SIMトレイ、ヒンジ、カメラリング、ボタンなどへのMIMの適用を拡大し、業界をリードしました。デバイスの薄型化と部品の高精度化が進むにつれて、この分野におけるMIMの可能性は高まっています。
自動車部品
金属射出成形（MIM）は、切削不要の成形プロセスであるため、材料とコストを節約できます。自動車業界では1990年代からMIMを高く評価しており、現在ではターボチャージャー部品、調整リング、燃料噴射ノズル、ベーン、ギアボックス部品、パワーステアリング部品など、複雑な部品、バイメタル部品、マイクロコンポーネントセットの製造にMIMが使用されています。
医療機器
金属射出成形（MIM）は、小型で複雑な外科用器具の要件を満たす、高精度で優れた機械的特性を持つ部品を生産します。外科用器具のハンドル、はさみ、鉗子、歯科部品、整形外科用関節部品などへの利用が拡大しています。
パワーツール
電動工具の付属品は、複雑な加工と低い材料利用率を必要とするため、金属射出成形（MIM）に依存しています。代表的な製品としては、特殊形状のフライスカッター、切削工具、ファスナー、マイクロギア、繊維機械や圧着機械の部品などがあります。
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