Gdzie stosuje się wtryskowe formowanie proszków tytanu (MIM)?

Postępy w produkcji proszku tytanowego, mieszankach proszku ze spoiwem, usuwaniu spoiwa i spiekaniu próżniowym rozszerzyły zastosowania wtryskowego formowania metali (MIM) w produkcji części tytanowych. W porównaniu z obróbką skrawaniem Ti-MIM lepiej nadaje się do wielkoseryjnej produkcji małych, złożonych części o kształcie zbliżonym do końcowego, gdy ważne jest wykorzystanie materiału. Zastosowania obejmują wyroby medyczne, przemysł lotniczy i kosmiczny, elektronikę użytkową, urządzenia ubieralne i maszyny precyzyjne.

Zastosowania medyczne

Tytan i jego stopy charakteryzują się biokompatybilnością, odpornością na korozję oraz wysoką wytrzymałością właściwą. Technologia Ti-MIM stanowi zatem ważną ścieżkę badawczą i przemysłową w zakresie produkcji elementów ortopedycznych i stomatologicznych, śrub kostnych, niewielkich implantów oraz skomplikowanych narzędzi chirurgicznych.

Rozwój wykroczył poza podstawowe możliwości formowania w kierunku zintegrowanej kontroli mikrostruktury, porowatości, zanieczyszczeń tlenem i węglem, właściwości mechanicznych i zmęczeniowych oraz długoterminowej niezawodności. W przypadku małych, złożonych elementów medycznych produkowanych seryjnie formowanie zbliżone do kształtu docelowego może znacznie ograniczyć usuwanie materiału i operacje obróbki skrawaniem.

Norma ASTM F2885-17(2023) określa wymagania chemiczne, mechaniczne i metalurgiczne dotyczące elementów implantów chirurgicznych z tytanu Ti-6Al-4V wytwarzanych metodą MIM, ilustrując rozwój tej technologii od badań laboratoryjnych do znormalizowanej produkcji przemysłowej.

Zastosowania w przemyśle lotniczym i kosmicznym

Elementy lotnicze i kosmiczne muszą charakteryzować się niską masą, wysoką wytrzymałością właściwą, odpornością na korozję oraz efektywnym wykorzystaniem materiału, co sprawia, że stanowią one obiecujące, wysokowartościowe zastosowanie dla technologii Ti-MIM.

Tradycyjne elementy lotnicze i kosmiczne z tytanu są zazwyczaj kute lub obrabiane z prętów lub odkuwek. Surowiec tytanowy jest drogi i trudny w obróbce, a obróbka małych, skomplikowanych elementów może powodować, że znaczna część materiału zamienia się w wióry. Technologia MIM pozwala uzyskać półfabrykat o kształcie zbliżonym do końcowego, eliminując konieczność znacznego usuwania materiału i wielokrotnych operacji obróbczych. Jest to szczególnie przydatne w przypadku małych elementów konstrukcyjnych stosowanych w lotnictwie, łączników i innych precyzyjnych komponentów produkowanych seryjnie.

Obciążenia w przemyśle lotniczym i kosmicznym są jednak często złożone, a wymagania dotyczące składu, wad wewnętrznych, odporności zmęczeniowej i stabilności procesu są bardzo rygorystyczne. Technologia Ti-MIM nie stanowi uniwersalnego zamiennika kucia i obróbki skrawaniem metodą CNC. Najlepiej sprawdza się w przypadku małych, sprawdzonych części wytwarzanych w ramach powtarzalnej produkcji.

Elektronika użytkowa

Elektronika użytkowa stała się jednym z najbardziej dynamicznych rynków technologii MIM. Smartfony, urządzenia składane, laptopy, słuchawki bezprzewodowe i urządzenia do noszenia na ciele stają się coraz cieńsze, mniejsze i bardziej zintegrowane. Wiele złożonych konstrukcji, które wcześniej były obrabiane lub montowane z wielu części, można obecnie rozważać pod kątem produkcji metodą MIM jako elementy jednoczęściowe.

Typowym przykładem są zawiasy do telefonów składanych. Składają się one z wielu małych elementów o skomplikowanej geometrii i podlegających rygorystycznym wymaganiom dotyczącym spójności, a precyzyjny zawias może zawierać dziesiątki elementów wykonanych w technologii MIM. Było to jednym z głównych czynników napędzających ostatni wzrost popytu na produkty MIM.

Ti-MIM znajduje coraz szersze zastosowanie nie tylko w medycynie i przemyśle, ale także w elektronice. Niska gęstość tytanu, wysoka wytrzymałość właściwa, odporność na korozję oraz metaliczny wygląd sprawiają, że materiał ten spełnia wymagania dotyczące masy, wytrzymałości, trwałości i wykończenia. Potencjalne elementy to między innymi ramki aparatów fotograficznych i przyciski w smartfonach, konstrukcje wewnętrzne, precyzyjne podzespoły do laptopów oraz obudowy smartwatchy.

Wykorzystanie tytanu w telefonach z wyższej półki spowodowało wzrost zainteresowania tym materiałem. Firma Apple wprowadziła tytanowe obudowy w serii iPhone 15 Pro, a Samsung i inni producenci zastosowali tytanowe ramki w wybranych modelach flagowych. W rezultacie tytan przeniósł się z tradycyjnych zastosowań w przemyśle lotniczym, medycznym i w branży luksusowych zegarków do elektroniki przeznaczonej na rynek masowy.

Nie oznacza to jednak, że każda tytanowa część telefonu jest wytwarzana metodą MIM. Obróbka skrawaniem CNC, kucie, tłoczenie, technologia MIM oraz addytywna produkcja metalowa współistnieją obok siebie. Duże ramy i konstrukcje nośne lepiej nadają się do kucia, obróbki skrawaniem lub metod hybrydowych. Metalowa produkcja addytywna sprawdza się w przypadku części produkowanych w niewielkich ilościach o niezwykle złożonej geometrii. Technologia MIM najlepiej sprawdza się w przypadku małych, złożonych części wymaganych w dużych ilościach.

Urządzenia ubieralne i inne produkty konsumenckie

Technologia Ti-MIM sprawdza się również w przypadku smartwatchy, okularów, słuchawek, biżuterii i artykułów sportowych. Produkty te są zazwyczaj niewielkie, mają skomplikowaną geometrię, wymagają wysokiej jakości powierzchni i są wytwarzane seryjnie. Technologia Ti-MIM umożliwia produkcję kopert i zapięć do zegarków, elementów okularów oraz innych wysokiej jakości tytanowych części przeznaczonych dla konsumentów.

Smartwatche i zegarki sportowe z tytanu sprawiły również, że konsumenci lepiej poznali ten materiał. Firmy takie jak Garmin, COROS, Montblanc, TAG Heuer, Apple i inne stosują w wybranych produktach tytanowe koperty, ramki lub bransoletki. Przewaga konkurencyjna firmy Ti-MIM nadal koncentruje się na małych, skomplikowanych częściach produkowanych w dużych ilościach, wymagających stałej jakości.

Rozwój technologii addytywnej produkcji metalowej przyczynił się do wzrostu podaży wysokiej jakości proszków tytanowych. Udoskonalenia w zakresie atomizacji, klasyfikacji proszków oraz surowców do technologii MIM zwiększają dostępność odpowiednich proszków. Zautomatyzowane formowanie wtryskowe, ciągłe usuwanie spoiwa i spiekanie oraz ulepszona kontrola wymiarów przyczyniają się do przejścia technologii Ti-MIM od produkcji małych partii o wysokiej wartości dodanej w kierunku produkcji przemysłowej na większą skalę.

Skala rynku i jego rozwój

W kilku badaniach rynkowych dotyczących technologii Ti-MIM opublikowanych około 2026 roku oszacowano, że globalny rynek formowania wtryskowego tytanu wyniesie w 2026 roku około 535–540 mln USD, a w 2027 roku – 572–583 mln USD. Ti-MIM pozostaje wyspecjalizowanym segmentem materiałowym w ramach wartej wiele miliardów dolarów branży MIM, ale tempo jego wzrostu jest znaczące.

Głównymi rynkami zastosowań technologii MIM są: elektronika użytkowa, urządzenia medyczne, części samochodowe, przemysł lotniczy i kosmiczny oraz komponenty przemysłowe. Wraz ze spadkiem cen proszku tytanowego i dojrzewaniem technologii MIM opartej na tytanie stopy tytanu są powszechnie postrzegane jako kategoria materiałów o wysokim potencjale wzrostu.

Przyszłe trendy w dziedzinie Ti-MIM

Szersze zastosowanie tej technologii zależy od obniżenia kosztów proszku, kontroli zawartości tlenu, węgla i innych pierwiastków międzywęzłowych, zwiększenia gęstości spieku, ograniczenia odkształceń oraz poprawy stabilności wymiarowej w produkcji seryjnej.

Kluczowe znaczenie będą miały spójność produkcji i opłacalność partii. Obróbka skrawaniem części tytanowych z prętów lub odkuwek może wiązać się ze znacznym zużyciem materiału. Małe, złożone elementy mogą wymagać kilku ustawień, wielu operacji i skomplikowanych ścieżek narzędzi, co zwiększa czas i koszty. Technologia MIM pozwala uzyskać złożoną trójwymiarową strukturę w jednym cyklu formowania, a po usunięciu spoiwa i spiekaniu uzyskać element o wymiarach zbliżonych do ostatecznych. Gdy proces osiągnie stabilność przy produkcji seryjnej, wydajność i spójność mogą ulec znacznej poprawie.

Niektóre małe, złożone części, obecnie wytwarzane poprzez obróbkę skrawaniem z prętów metodą CNC, kucie połączone z obróbką skrawaniem metodą CNC lub jako zespoły kilku obrabianych elementów, mogą zostać zastąpione technologią MIM. Praktycznym rozwiązaniem jest również podejście hybrydowe: technologia MIM służy do formowania złożonej struktury głównej, a obróbka wykańczająca CNC ogranicza się do otworów o wąskich tolerancjach, powierzchni styku, gwintów lub powierzchni funkcjonalnych. Pozwala to połączyć zalety technologii MIM, takie jak wykorzystanie materiału, swoboda geometryczna, wydajność produkcyjna i powtarzalność, z precyzją obróbki CNC w przypadku kluczowych elementów.

Technologia Ti-MIM będzie raczej uzupełnieniem, a nie całkowitym zamiennikiem obróbki skrawaniem, kucia czy addytywnej produkcji metali w procesie CNC. Kucie i proces CNC nadal mają przewagę w przypadku dużych konstrukcji, bardzo małych serii, elementów nośnych o krytycznym znaczeniu pod względem zmęczeniowym oraz komponentów o ekstremalnych wymaganiach dotyczących precyzji. Produkcja addytywna pozostaje cennym rozwiązaniem w przypadku części produkowanych w niewielkich seriach, o geometrii wewnętrznej niemożliwej do uzyskania metodami konwencjonalnymi. Technologia Ti-MIM najlepiej sprawdza się w przypadku małych, złożonych części tytanowych wytwarzanych w średnich lub dużych seriach, charakteryzujących się wysokimi wymaganiami dotyczącymi powtarzalności.

Popyt ze strony branży elektronicznej, urządzeń do noszenia, sprzętu medycznego oraz precyzyjnych produktów przemysłowych, w połączeniu z niższymi kosztami proszku, większą automatyzacją i lepszą kontrolą wymiarów podczas spiekania, powinien nadal poszerzać zakres zastosowań. W przyszłości produkcja tytanu będzie prawdopodobnie łączyć kucie, obróbkę skrawaniem CNC, technologię MIM oraz produkcję addytywną: kucie i obróbkę skrawaniem w przypadku dużych konstrukcji poddawanych dużym obciążeniom, metody addytywne w przypadku części o niskiej wielkości produkcji i wysokim stopniu złożoności oraz technologię MIM w przypadku złożonych małych części produkowanych w średnich i dużych ilościach.