金屬注射成形（MIM）發(fā)展

金屬注射成形（metal Injection Molding，MIM）是一種適于生產(chǎn)小型、三維復(fù)雜形狀以及具有特殊性能要求制品的近凈成形工藝。

MIM是由傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成型技術(shù)融合發(fā)展而來，其基本工藝過程是：將各種微細(xì)金屬粉末（一般小于20μm）按一定的比例與預(yù)設(shè)粘結(jié)劑（各種熱塑性塑料，蠟及其他材料）均勻混合，制成具有流變特性的喂料，通過注射機(jī)注入模具型腔（或多模型腔）成型出零件毛坯，毛坯件經(jīng)過脫除粘結(jié)劑和高溫?zé)Y(jié)后，即可得到微觀組織均勻、材料高度致密的各種金屬零部件。缺陷：必須使MIM固有的缺陷處于非關(guān)鍵位置，或制造成型后可以除去，例如澆口印跡，頂針印跡或結(jié)合線。

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。20世紀(jì)80年代，美國(guó)倫賽爾理工學(xué)院開始開展MIM技術(shù)理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)的研究工作。美國(guó)Injectamax公司和德國(guó)BASF公司將脫脂時(shí)間從數(shù)十小時(shí)縮短到幾個(gè)小時(shí)，而且保形性得到明顯改善，產(chǎn)品的尺寸精度從±0.5%提高到±0.3%。21世紀(jì)后，MIM工藝進(jìn)一步得到改進(jìn)，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速。理論上，顆粒越細(xì)，比表面積也越大，易于成型和燒結(jié)傳統(tǒng)的粉末冶金則采用大于40μm的較粗的粉末，傳統(tǒng)壓鑄成形強(qiáng)度低、精密鑄造無法大量量產(chǎn)、車削件成本較高等技術(shù)缺點(diǎn)。形狀復(fù)雜、尺寸較小及產(chǎn)量大，這些都是MIM的強(qiáng)項(xiàng)，使其在手表、手工工具、牙齒矯正支架、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、電子密封、切削工具及運(yùn)動(dòng)器材中找到大量應(yīng)用。

粉末注射成型技術(shù)彎道超車

粉末注射成型適用不銹鋼，鐵基合金，磁性材料，鎢合金，硬質(zhì)合金，精細(xì)陶瓷等系列。所制備的零件廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、汽車業(yè)、兵工業(yè)、醫(yī)用器械、機(jī)械行業(yè)、日用品等領(lǐng)域。那么粉末注射成型和其他成形工藝特點(diǎn)的比較，哪個(gè)更具優(yōu)勢(shì)呢?

　　(一)與傳統(tǒng)粉末冶金工藝比較

　　粉末注射成型作為一種制造高質(zhì)量精密零件的近凈成形技術(shù)，具有常規(guī)粉末冶金方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。MIM能制造許多具有復(fù)雜形狀特征的零件：如各種外部切槽，外螺紋，錐形外表面，交叉通孔、盲孔，凹臺(tái)與鍵銷，加強(qiáng)筋板，表面滾花等等，具有以上特征的零件都是無法用常規(guī)粉末冶金方法得到的。其基本工藝過程是：首先將固體粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下(~150℃)用噴射成形機(jī)注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學(xué)或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。

　　(二)與比精密鑄造比較

　　精密鑄造對(duì)于熔點(diǎn)相對(duì)較低的金屬或合金，精密鑄造也可以成形三維復(fù)雜形狀的零件。但對(duì)于難熔金屬和合金、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷等卻無能為力，這是精密鑄造的本質(zhì)所決定的。另外，對(duì)于尺寸小、壁薄、大批量的零件采用精密鑄造是十分困難或不可行的。

　　(三)與機(jī)加工比較

　　傳統(tǒng)機(jī)械加工法，近來靠自動(dòng)化而提升其加工能力，在效率和精度上有極大的進(jìn)步，但是基本的程序上仍脫不開逐步加工(車削、刨、銑、磨、鉆孔、拋光等)完成零件形狀的方式。

　　機(jī)械加工方法的加工精度遠(yuǎn)優(yōu)于其他加工方法，但是因?yàn)椴牧系挠行Ю寐实?，且其形狀的完成受限于設(shè)備與刀具，有些零件無法用機(jī)械加工完成。相反的，粉末注射成型可以有效利用材料，形狀自由度不受限制。對(duì)于小型、高難度形狀的精密零件的制造，粉末注射成型工藝比較機(jī)械加工而言，其成本較低且效率高，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。MIM技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工方法在技術(shù)上的不足或無法制作的缺憾，并非與傳統(tǒng)加工方法競(jìng)爭(zhēng)。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。粉末注射成型技術(shù)可以在傳統(tǒng)加工方法無法制作的零件領(lǐng)域發(fā)揮其特長(zhǎng)。

我國(guó)粉末冶金行業(yè)集中度高

根據(jù)中國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，34家國(guó)內(nèi)大中型粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)(占53 家企業(yè)數(shù)量的64%)的累計(jì)產(chǎn)量長(zhǎng)期占53家企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量的占比高達(dá)85%，其中大多數(shù)汽車粉末冶金零部件生產(chǎn)商集中在這34 家企業(yè)中。過去十年，受益于汽車產(chǎn)量的增長(zhǎng)，汽車用粉末冶金零部件需求也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。未來，除了汽車行業(yè)本身的增長(zhǎng)，粉末冶金零件需求也將受益于進(jìn)口替代和對(duì)機(jī)加工零件替代的雙重替代，單車的粉末冶金用量將明顯提升，保障傳統(tǒng)汽車粉末冶金零部件的需求將保持平穩(wěn)增長(zhǎng)。PVD原理示意圖工藝流程:PVD前清洗→進(jìn)爐抽真空→洗靶及離子清洗→鍍膜→鍍膜結(jié)束，冷卻出爐→后處理（拋光、AFP）。

　　從行業(yè)趨勢(shì)來看，進(jìn)入2008 年以后，由于價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，世界粉末冶金的生產(chǎn)中心逐步往中國(guó)轉(zhuǎn)移，日本本土的產(chǎn)量出現(xiàn)了明顯的下降。根據(jù)中國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，以34 家粉末冶金企業(yè)產(chǎn)量為基數(shù)，2009/2010/2011 車用粉末冶金的單車用量分別為3.1/3.6/3.76kg/輛，用量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，在經(jīng)歷了2012 年短暫的下滑后，2013年又重回3.71kg/輛的水平。針對(duì)不同的拋光過程:粗拋(基礎(chǔ)拋光過程)，中拋(精加工過程)和精拋(上光過程)，選用合適的拋光輪可以達(dá)到很好拋光效果，同時(shí)提高拋光效率。產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)認(rèn)為，考慮到車輛節(jié)能、輕量化及產(chǎn)品精度化的訴求，伴隨未來中國(guó)粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模做大，技術(shù)加強(qiáng)和依舊強(qiáng)勁的成本優(yōu)勢(shì)，車用粉末冶金零件進(jìn)口替代趨勢(shì)下的需求增長(zhǎng)仍將持續(xù)發(fā)生

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。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)摩托車后不久就開始合作。二、電泳(ED)電泳：用于不銹鋼、鋁合金等，可使產(chǎn)品呈現(xiàn)各種顏色，并保持金屬光澤，同時(shí)增強(qiáng)表面性能，具有較好的防腐性能。

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：“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。而且另外一個(gè)問題是，由于車削過程，壁厚需要高于常規(guī)，我們無法盡可能高效地冷卻電動(dòng)機(jī)。關(guān)于選擇MIM工藝準(zhǔn)則，確定有下列一些主要事項(xiàng)需要考慮：☆質(zhì)量/大量對(duì)于在切削加工或磨削加工中材料損耗大的零件，MIM在降低生產(chǎn)成本上極有效。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年以來已生產(chǎn)超過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，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。該部件打印非常準(zhǔn)確，無需任何后處理即可直接使用。電控系統(tǒng)有手動(dòng)、自動(dòng)電控系統(tǒng)，由用戶任意選擇和要求，操作方便、可靠。”

這不是3D打印初次用于制造電動(dòng)摩托車?？偛课挥诘聡?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。MIM用粘結(jié)劑應(yīng)滿足如下要求：與粉末接觸角小，粘附力強(qiáng)且不與粉末反應(yīng)。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。