Metaalpoederspuitgieten (MIM) en poedermetallurgische onderdelen voor sloten

Net-shape stalen componenten voor slotcilinders, nokmechanismen, tandwieloverbrengingen en beveiligingsbeslag. Complexe geometrieën in één gesinterd onderdeel, gehard en afgewerkt, van proefseries tot grootserieproductie.

MIM en poedermetallurgie bij Hydroforce

Hydroforce Engineering vervaardigt componenten via metaalpoederspuitgieten en poedermetallurgie voor de sloten- en beslagindustrie (sloten en beveiligingsbeslag). Het gaat hier om bewezen productiecapaciteit: dezelfde gereedschapmakerij, sinterlijn en controleprocedure waarmee ons reguliere PM- en MIM-programma draait, leveren cilinderkernen, nokken en tandwielsets aan Europese assembleurs van sloten. Ook leveren zij MIM-onderdelen voor handgereedschap, elektromechanische actuatoren en onderdelen voor handvuurwapens.

MIM is het vanzelfsprekende antwoord op een probleem dat conventioneel verspanen niet economisch kan oplossen: een klein, ingewikkeld stalen onderdeel van minder dan vijftig gram, vol dwarsgaten, uitsparingen, tandwieltanden, ondersnijdingen en schroefdraad, dat in tienduizenden of honderdduizenden stuks moet worden geleverd, allemaal onderling verwisselbaar, allemaal gehard, allemaal volgens tekening. Slotenfabrikanten kozen in de jaren 2000 om precies deze reden voor MIM. De cilinderkernen, hendels, nokken en beugelframes die elke week door onze lijn gaan, laten zien voor welke aantallen deze technologie is ontwikkeld.

Waarom MIM en PM voor slotonderdelen

Een modern cilinderslot is een compact pakket van uiterst nauwkeurig staal. Pinkamers, sleutelkanalen, hendelaansluitingen, borggroeven, schroefdraad voor de montage en geometrieën die lockpicking tegengaan zijn samengebracht in een lichaam van twintig tot dertig millimeter lang. Wie die geometrie door frezen en draaien maakt, heeft meerdere opspanningen, speciale opspanmiddelen en een ruim bewerkingsvolume nodig. De maatvoering verloopt met de slijtage van het gereedschap en de stukprijs ontwikkelt zich bij grotere series in de verkeerde richting.

MIM pakt het precies andersom aan. Een feedstock van fijn metaalpoeder, gebonden in een polymeermatrix, wordt spuitgegoten in matrijzen die vrijwel gelijk zijn aan matrijzen voor kunststofspuitgieten. Het groene onderdeel heeft de uiteindelijke geometrie al: dwarsgaten, afrondingen, uitsparingen, tandwieltanden en kartelingen worden in enkele seconden in één spuitcyclus gevormd. Na het verwijderen van het bindmiddel en het sinteren krimpt het onderdeel isotroop met ongeveer 15 tot 20% en bereikt het 95 tot 99% van de theoretische dichtheid. Het is dus een volledig metalen onderdeel en geen poreuze persling, met mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van gewalst en gesmeed staal en met dezelfde reactie op warmtebehandeling.

Conventionele poedermetallurgie (persen en sinteren) neemt de eenvoudigere, grotere onderdelen uit dezelfde familie voor haar rekening, zoals bussen, sluitringen, borgplaten en steunplaten voor flenzen. Daar kan de geometrie uniaxiaal worden geperst en is een lagere dichtheid voldoende. Met MIM en PM samen bestrijken wij het volledige spectrum aan slotbeslag, van een hendel van 2 gram tot een grondplaat van 250 gram, in staal, roestvast staal en gereedschapsstaal, alles gehard en afgewerkt volgens tekening.

Mogelijkheden

Wij leveren MIM- en PM-componenten volgens tekening van de klant binnen het gebruikelijke industriële bereik:

De seriegrootte loopt van enkele honderden stuks voor de validatie van prototypes tot miljoenen stuks per jaar voor gevestigde slotplatforms. Hetzelfde gereedschap, hetzelfde sinterprogramma en hetzelfde controleplan lopen ongewijzigd door van de ene productiepartij naar de volgende. Het onderdeel dat in het vijfde jaar wordt geleverd, is dus qua afmetingen identiek aan het eerste goedgekeurde monster.

Productievoorbeelden

De onderstaande componenten zijn representatief voor onze reguliere MIM- en PM-productie voor klanten uit de sloten- en beslagbranche. Elk daarvan toont een geometrie die in serie oneconomisch zou zijn om te verspanen en die profiteert van de warmtebehandelingen en oppervlaktebehandelingen die voor een gesinterd stalen onderdeel mogelijk zijn.

Cilinderkern voor een slot

Het lichaam van een cilinderslot met hoge beveiliging, vervaardigd uit laaggelegeerd staal in één MIM-spuitcyclus. Het rechthoekige sleutelkanaal, de vier pinkamers op het bovenvlak, de dwarsboring voor de nokpen, de kopflens en de buitendraad op de schacht aan de achterzijde worden allemaal in de matrijs gevormd. Alleen de schroefdraad en het sleutelkanaal worden na het sinteren op maat gekalibreerd. Het onderdeel is inzetgehard en zwart afgewerkt. Een gefreesde variant zou vier opspanningen vragen en ongeveer drie keer zoveel cyclustijd per stuk.

Dubbel tandwiel met geïntegreerd rondsel

Een tweetraps tandwiel voor de aandrijflijn van een gemotoriseerde cilinder of een elektromechanisch slot, vervaardigd uit gesinterd laaggelegeerd staal. Het grote rechtgetande wiel en het kleinere rondsel zitten als één geheel op dezelfde as, zonder naafverbinding en zonder persverbinding. De vertanding van beide diameters wordt in de matrijs gevormd en voldoet na het sinteren aan de tandwielkwaliteit die op de tekening is gespecificeerd, zonder nabewerking van de tanden. Doorharden en ontlaten brengen de tandflanken op de hardheid die voor de toepassing nodig is.

Rotorschijf voor een schijvencilinder

Een rotorschijf voor een schijvencilinderslot (disc-detainer), met de kenmerkende geribbelde omtrek en een centrale sleutelboring. Elke schijf in het pakket heeft een eigen inkeping en moet over een nauwkeurige hoek draaien, zodat de zijstang (sidebar) in de inkepingen kan vallen. Die geometrie moet binnen enkele honderdsten van een millimeter herhaalbaar zijn voor elke schijf in elk slot. MIM in laaggelegeerd staal reproduceert de positie van de inkeping en het ribprofiel in één spuitcyclus. Daarna wordt het onderdeel gesinterd en inzetgehard voor slijtvastheid tegen de sleutel.

Nokhendel met gevorkt uiteinde

Een mechanismehendel voor een meerpuntssluiting of de tandwielkast van een raamkruk: een precisieboring in de draainaaf, een gevorkte bedieningssleuf aan het ene uiteinde en een kogelvormige arrêteernok aan het andere. De drie functionele kenmerken liggen op drie verschillende assen en worden verbonden door een taps toelopende rib. Het is een MIM-onderdeel uit één spuitcyclus dat anders draaien, frezen en een sleufbewerking zou vereisen. Het oppervlak in gesinterde toestand kan direct worden gepassiveerd of zwartgeoxideerd, zonder tussentijds slijpen.

Nokinzetstuk voor een cilinder

Het nokinzetstuk dat de rotatie van de kern omzet in de aandrijving van de schoot: een langwerpige koppelsleuf in de kop, een dunne bedieningsrib met een geïntegreerde aandrijfnok en een getrapte cilindrische voet die in de slotkast loopt. Drie functionele zones in één onderdeel, gevormd door MIM in een hardbare laaggelegeerde staalsoort. De aandrijfnok is het slijtagepunt. Na het sinteren wordt het onderdeel doorgehard en ontlaten, zodat de aandrijfnok zijn geometrie behoudt gedurende het nominale aantal bedieningscycli van het slot.

Grondplaat met meerdere boringen

Een achterplaat voor een slotkast, met zeven doorgaande gaten van verschillende diameters, waarvan vier met cilindrische verzinking aan de zichtzijde. De plaat bevat de bevestiging voor de cilinder, de schroefbevestigingen aan het deurkozijn en de opname voor twee interne mechanismepennen. Persen en sinteren (PM) in een laaggelegeerde staalsoort geeft het onderdeel de dichtheid die het voor de belasting nodig heeft en houdt de kosten laag. De diepte van de cilindrische verzinkingen en de afgeschuinde randen komen kant-en-klaar voor montage uit de persmatrijs.

Dubbel beugelframe

Een beugelframe met twee elementen voor een beveiligingshangslot, vervaardigd uit roestvast staal 17-4 PH en hier getoond in gesinterde toestand. De in elkaar grijpende U-profielen, het sleutelkanaal bovenaan en de uitsparing aan de hiel onderaan worden allemaal gevormd. Alleen de aangrijpvlakken worden na het oplosgloeien en verouderen gekalibreerd. De combinatie van roestvast staal 17-4 PH en de neerslagharding geeft het frame de hardheid die nodig is voor snijbestendigheid, terwijl het oppervlak van nature corrosiebestendig blijft. Galvanische afwerking is niet nodig.

Productieproces

Elke MIM-order doorloopt hetzelfde kernproces in vier fasen, waarbij PM-onderdelen de stap voor het verwijderen van het bindmiddel overslaan. De hele stroom speelt zich af op één lijn:

1. Beoordeling van de tekening en keuze van de feedstock. De tekening wordt beoordeeld op vormbaarheid, inspuitpunten, scheidingslijn en krimptoeslag. De door de klant gevraagde materiaalkwaliteit wordt gekoppeld aan een feedstock van poeder en bindmiddel: meestal 17-4 PH voor roestvaste kenmerken, Fe-Ni-legeringen voor carboneren, M2 voor de hardheid van gereedschapsstaal of laaggelegeerd staal voor het seriewerk in grote aantallen.
2. Gereedschap. Stalen spuitgietmatrijzen worden gemaakt met ingebouwde krimpcompensatie (de matrijsholte is ongeveer 1,18 keer zo groot als het eindonderdeel). Kernen, schuiven en uitstootpennen worden zo geplaatst dat elke ondersnijding en elk dwarsgat in één spuitcyclus kan worden ontvormd.
3. Spuitgieten. De feedstock wordt verwarmd en met geregelde druk en temperatuur in de gesloten matrijs gespoten. De cyclustijden lopen meestal van 15 tot 45 seconden per spuitcyclus, afhankelijk van het gewicht van het onderdeel en de wanddikte. Het groene onderdeel heeft de volledige uitwendige geometrie van het eindonderdeel.
4. Debinding. Het polymeerbindmiddel wordt in twee stappen verwijderd, eerst primaire debinding met oplosmiddel of katalytisch en daarna thermische debinding in het voorste deel van de sinteroven. Zo blijft een breekbaar ‘bruin’ onderdeel van gebonden metaalpoeder over.
5. Sinteren. Het bruine onderdeel wordt onder waterstof, stikstof-waterstof of vacuüm verhit tot 1.200 tot 1.400 °C. Daar hechten de poederdeeltjes aan elkaar en krimpt het onderdeel isotroop met ongeveer 15 tot 20% tot zijn eindafmetingen. De gesinterde dichtheid bereikt 95–99% van de theoretische dichtheid. Voor materialen met een hoog smeltpunt draaien wij ook cycli met sinteren bij ultrahoge temperatuur.
6. Kalibreren en nabewerkingen. Kritische afmetingen worden gekalibreerd of nageperst (coining), om het onderdeel in het nauwste deel van het tolerantieveld op de tekening te brengen. Schroefdraad, ondersnijdingen of kenmerken die niet geschikt zijn voor MIM worden waar nodig toegevoegd met CNC-bewerking.
7. Warmtebehandeling. Doorharden en ontlaten, oplosgloeien en verouderen voor neerslaghardende staalsoorten, carboneren of nitreren volgens tekening. Dit wordt toegepast op de volledige partij in batchovens of op lijnen met gecontroleerde atmosfeer.
8. Oppervlaktebehandeling en controle. Passiveren, vernikkelen, verzinken, zwartoxideren, fosfateren of PVD-coating volgens specificatie, gevolgd door maatcontrole en verpakking.

Kwaliteitscontrole

Elke order wordt geleverd met een dossier dat bij het onderdeel hoort, conform ons ISO 9001-kwaliteitssysteem:

• Materiaalcertificaat voor de gebruikte poederpartij, herleidbaar tot de feedstockpartij
• FAI-maatrapport met CMM ten opzichte van de tekening
• Verificatie van de gesinterde dichtheid (methode van Archimedes, met doorsnede op aanvraag)
• Hardheidsrapport, voor kern en inzetlaag waar van toepassing
• Steekproefsgewijze maatcontrole tijdens het proces, verspreid over de productiepartij
• Registratie van de oppervlaktebehandeling (laagdikte, passiveringspartij)
• Visuele inspectie op sinterfouten, oppervlakteporositeit en afwerking

Tekeningen van het gereedschap, spuitparameters, debindingprofiel en sinterprogramma worden voor elk onderdeel bewaard. Een herhaalorder wordt dus geleverd op basis van dezelfde referentie als het eerste monster, vijf of tien jaar later, met dezelfde afmetingen en dezelfde metallurgie.

Bestellen

Stuur uw tekening of 3D-model naar office@hydroforce.ee. U ontvangt van ons een offerte voor gereedschap en stukprijs, een aanbevolen materiaalkwaliteit, een voorstel voor de warmtebehandeling en een voorgestelde afwerking. Proefpartijen en prototypegereedschap zijn welkom. Hetzelfde documentatiepakket volgt het onderdeel van het eerste stuk tot in de serieproductie.