深圳粉末冶金成型常用指南,聚鑫MIM

影響MIM不銹鋼喂料的流動(dòng)性的三大因素

金屬注射成形工藝(簡(jiǎn)稱MIM)是將金屬粉末和有機(jī)粘結(jié)劑經(jīng)過(guò)混煉、造粒成混合料顆粒，再通過(guò)注射成形的方式制造成特定性狀制品的方法，特別適合于小型、復(fù)雜精密金屬零件的制造，也得到了相當(dāng)所的精密零件制造商的認(rèn)可和使用，在當(dāng)今金屬制品成形領(lǐng)域占有重要地位。在小批量生產(chǎn)的情況下，粉末冶金齒輪的生產(chǎn)成本可能比傳統(tǒng)制造方法的成本高。

    該工藝需要事先準(zhǔn)備好注射料，也就是常說(shuō)的MIM喂料，且對(duì)喂料的流變性有著比較苛刻的要求。使用性能：基于MIM產(chǎn)品的高密度，如果使用性能有需求，則MIM的高密度形成的性能有競(jìng)爭(zhēng)力。MIM當(dāng)前常用的兩種喂料是鐵基喂料（如Fe2Ni，F(xiàn)e8Ni）和不銹鋼喂料（如SUS316L，SUS630即17-4，SUS304等），隨著近年來(lái)不銹鋼制品的需求越來(lái)越大，關(guān)于不銹鋼喂料的研究也迅速升溫。

    喂料的特性，直接影響后續(xù)所有工藝的參數(shù)以及成品的品質(zhì)特性。今天小編就已常用的不銹鋼為例為例，和大家一起來(lái)看一下生產(chǎn)工藝參數(shù)中影響不銹鋼喂料流動(dòng)性的三大因素。

一， 粉末裝載量。粉末裝載量是一個(gè)比值，指的是粉末體積占喂料總體積的百分?jǐn)?shù)。粉末裝載量越大，說(shuō)明喂料中粉末所占的比重越大，此時(shí)喂料的粘度增大，流變性相應(yīng)變差;當(dāng)粉末裝載量變小時(shí)，粘結(jié)劑所占比重相應(yīng)變大，此時(shí)喂料的粘度減小，流動(dòng)性轉(zhuǎn)好。3、清楚前處理時(shí)遺留的殘污，提高工件的光潔度，能使工件露出均勻一致的金屬本色，使工件外表更美觀，好看。但也不是粘結(jié)劑越多越好。還要考慮粘結(jié)劑的量對(duì)后續(xù)其他工藝的影響。

二， 剪切速率。在注射成形過(guò)程中，不銹鋼喂料在高的剪切速率下而流動(dòng)，所以喂料受到高剪切力發(fā)熱，發(fā)熱之后粘度降低，因此流動(dòng)性強(qiáng);反之當(dāng)喂料在低的剪切速率下流動(dòng)，受到較低的剪切力發(fā)熱較慢，粘度不會(huì)明顯降低，流動(dòng)性也相應(yīng)比較差。

三， 溫度。綜上，金屬喂料生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)是混煉，而影響混煉效果的主要因素是粘結(jié)劑和金屬粉末的配比和加入順序，因此進(jìn)行科學(xué)配比和加料對(duì)金屬喂料的生產(chǎn)至關(guān)重要。這里主要指的是注射成形時(shí)的注射溫度以及進(jìn)入模腔后的溫度。溫度的影響對(duì)于不銹鋼喂料來(lái)講是個(gè)加熱的過(guò)程，溫度通過(guò)對(duì)著喂料粘度的影響而影響其流動(dòng)性，當(dāng)溫度升高時(shí)，喂料的粘度會(huì)變小，相應(yīng)的流動(dòng)性變強(qiáng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，喂料粘度變大，流動(dòng)性也會(huì)比較差

荷蘭公司用金屬3D打印制造超級(jí)摩托車電機(jī)冷卻

荷蘭超級(jí)摩托車制造商Electric Superbike Twente與金屬3D打印公司K3D合作，為其電動(dòng)自行車的電機(jī)生產(chǎn)新的冷卻外殼。十、PVD真空鍍物理氣相沉積（PVD）：是一種工業(yè)制造上的工藝，是主要利用物理過(guò)程來(lái)沉積薄膜的技術(shù)。這是Electric Superbike Twente使用的一款3D打印金屬組件，在此前的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，他們意識(shí)到使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的電機(jī)冷卻外殼并不適合高性能摩托車，因此雙方在設(shè)計(jì)第二輛電動(dòng)摩托車后不久就開(kāi)始合作。

傳統(tǒng)制造的局限性

超級(jí)摩托車團(tuán)隊(duì)的技術(shù)經(jīng)理Feitse Krekt 評(píng)論說(shuō)：“首輛超級(jí)摩托車的冷卻外殼由多個(gè)部件組成，這些部件使用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，如車削和銑削，很難生產(chǎn)。對(duì)于這些生產(chǎn)方法，需要大量的材料，因此最終產(chǎn)品變得非常沉重。那么，如何判定一個(gè)產(chǎn)品是否應(yīng)該選擇MIM工藝，也就是選擇MIM工藝的準(zhǔn)則是什么呢。而且另外一個(gè)問(wèn)題是，由于車削過(guò)程，壁厚需要高于常規(guī)，我們無(wú)法盡可能高效地冷卻電動(dòng)機(jī)。所以，電機(jī)的功率低于預(yù)期，有時(shí)需要放慢速度以使電動(dòng)機(jī)不會(huì)過(guò)熱。”

因此，超級(jí)摩托車決定聯(lián)系K3D，K3D是荷蘭一家從Additive Industries購(gòu)買了metalFab1 金屬3D打印機(jī)的公司，自2016年以來(lái)已生產(chǎn)超過(guò)35,000種產(chǎn)品。

△用于生產(chǎn)冷卻外殼的metalFab1 3D金屬打印機(jī)

K3D的首席技術(shù)官Jaap Bulsink解釋說(shuō)，使用K3D生產(chǎn)的部件使他們能夠享受傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法提供的設(shè)計(jì)自由，“由于采用薄壁設(shè)計(jì)，內(nèi)部通道具有zui佳的冷卻性能，只有金屬3D打印才能實(shí)現(xiàn)極佳設(shè)計(jì)自由度。重要的是，該部件的設(shè)計(jì)重量最輕。七、噴砂噴砂:是采用壓縮空氣為動(dòng)力，以形成高速噴射束將噴料高速噴射到需處理工件表面，使工件表面的外表面的外表或形狀發(fā)生變化，獲得一定的清潔度和不同的粗糙度的一種工藝。該部件打印非常準(zhǔn)確，無(wú)需任何后處理即可直接使用。”

這不是3D打印初次用于制造電動(dòng)摩托車。總部位于德國(guó)的BigRep已經(jīng)制造出功能齊全的3D打印電動(dòng)摩托車，但該自行車僅用于設(shè)計(jì)目的，目前還不是一種可行的商業(yè)產(chǎn)品。一般要按照粘結(jié)劑和粉末密度算出其質(zhì)量比，按照這個(gè)比例來(lái)進(jìn)行配比。另外，寶馬今年早些時(shí)候推出了3D打印概念車架，用于BMW S1000RR運(yùn)動(dòng)自行車。

電動(dòng)超級(jí)摩托車目前正在組裝，之后將于2019年5月24日在荷蘭恩斯赫德進(jìn)行測(cè)試并最終曝光。

金屬粉末充模模擬機(jī)理和顆粒模擬的使用

對(duì)于多相填充流，人們發(fā)現(xiàn)可以因?yàn)榧羟辛ψ饔茫蚴穷w粒間的相互作用而形成些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。特性使得這一現(xiàn)象尤為突出。這就帶來(lái)了一些問(wèn)題，比如：流體是否均勻，流體是否是多相的且每個(gè)組分是否都起著獨(dú)立的作用來(lái)影響整個(gè)流體的流動(dòng)性。通過(guò)觀察流道橫截面上的流體可以發(fā)現(xiàn)許多有趣的現(xiàn)象。和中顯示的是橫截面的放大圖，顯示出了相的分離以及年輪一樣的結(jié)構(gòu)。2、基材廣泛：Al,Ti,Zn,Zr,Mg,Nb,及其合金等。上面圖片中的白色條紋是相分離的一種表征，那里是一些粘結(jié)劑中的低熔點(diǎn)組分。在這樣的地方很容易產(chǎn)生裂紋。這種結(jié)構(gòu)明顯表明流體是多相的，甚至可能是類固體的。所以實(shí)際上的MIM喂料熔體是非均質(zhì)的流體，其運(yùn)動(dòng)方式和均質(zhì)流體存在著差異。

　　在粉末-粘結(jié)劑兩相體系中，粉末顆粒和粘結(jié)劑之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，因此顆粒附近粘結(jié)劑的運(yùn)動(dòng)將受到一定的限制。在這個(gè)模型里，將具有不規(guī)則形狀的粉末簡(jiǎn)化為規(guī)則球形的顆粒，每個(gè)顆粒周圍包覆著一層粘結(jié)劑，這層粘結(jié)劑隨顆粒一起運(yùn)動(dòng)，即將其看成一個(gè)復(fù)合單元。MIM的發(fā)展進(jìn)程20世紀(jì)70年代，美國(guó)學(xué)者Wiech首先開(kāi)發(fā)出一種對(duì)金屬粉末進(jìn)行注射成形的粉末冶金工藝。粘結(jié)劑的厚度假定是常數(shù)，以此確保系統(tǒng)質(zhì)量的恒定。盡管這些復(fù)合單元的周圍還有自由粘結(jié)劑的存在，且其粘性制約了粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)，還是可將復(fù)合單元看成是不受外圍粘結(jié)劑介質(zhì)的影響。

　　修正顆粒模型顆粒模型較為充分地考慮了MIM喂料的獨(dú)特性，可以描述粉末的運(yùn)動(dòng)情況，因此這個(gè)模型在簡(jiǎn)單計(jì)算每個(gè)粉末顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況方面較為精準(zhǔn)，但對(duì)于實(shí)際的三維問(wèn)題，顆粒模型的微觀分析需要大量的單元，且容易造成計(jì)算的發(fā)散。很難將其應(yīng)用到諸如粉末等微細(xì)粉末的分析。所以必須對(duì)已有的顆粒模型進(jìn)行一定的修正。步驟如下﹕1使表面粗糙度達(dá)到一定要求﹐可通過(guò)表面磨光﹐拋光等工藝方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。展示了通過(guò)這種顆粒模型模擬出來(lái)的MIM喂料充模的情況。從中可以較清楚地看出密度分布的不均勻性。

　　結(jié)論由于MIM喂料在模腔中的流動(dòng)可以看成是固-液兩相流動(dòng)，所以采用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)模型來(lái)進(jìn)行流動(dòng)模擬存在較大的偏差。很多研究表明，MIM喂料在充模過(guò)程中將發(fā)生粉末和粘結(jié)劑分離的現(xiàn)象。通過(guò)這種方法可以直接考察粉末特性（粒度、粒徑分布、密度和形狀等）對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響。粘結(jié)劑的主要作用是充當(dāng)粘結(jié)金屬粉末顆粒流動(dòng)的載體以及成型后保持工件形狀。從而可以監(jiān)視流動(dòng)過(guò)程中粉末的運(yùn)動(dòng)、聚集以及密度變化分布情況和兩相分離等特殊現(xiàn)象。為了簡(jiǎn)化三維問(wèn)題中的計(jì)算，還在基于修正顆粒流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)該模型進(jìn)行了修正。