日本MIM工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展迅速

金屬粉末注射成型技術(shù)(metal Powder Injection Molding，簡(jiǎn)稱MIM)是將現(xiàn)代塑料噴射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門新型粉末冶金近凈形成形技術(shù)。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。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。與傳統(tǒng)工藝相比，具有精度高、組織均勻、性能優(yōu)異，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電子信息工程、生物醫(yī)用器械、辦公設(shè)備、汽車、機(jī)械、五金、體育器械、鐘表業(yè)、兵工及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。因此，國(guó)際上普遍認(rèn)為該技術(shù)的發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致零部件成形與加工技術(shù)的一場(chǎng)革命，被譽(yù)為“當(dāng)今最熱門的零部件成形技術(shù)”和“21世紀(jì)的成形技術(shù)”。

　　美國(guó)加州Parmatech公司于1973年發(fā)明，八十年代初歐洲許多國(guó)家以及日本也都投入極大精力開始研究該技術(shù)，并得到迅速推廣。特別是八十年代中期，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化以來更獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，每年都以驚人的速度遞增。到目前為止，美國(guó)、西歐、日本等十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)有一百多家公司從事該工藝技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)、研制與銷售工作。一般情況下，珠光體中鐵素體和滲碳體呈片狀交替分布，稱為片狀珠光體。日本在競(jìng)爭(zhēng)上十分積極，并且表現(xiàn)突出，許多大型株式會(huì)社均參與MIM工業(yè)的推廣，這些公司包括有太平洋金屬、三菱制鋼、川崎制鐵、神戶制鋼、住友礦山、精工——愛普生、大同特殊鋼等。目前日本有四十多家專業(yè)從事MIM產(chǎn)業(yè)的公司，其MIM工業(yè)產(chǎn)品的銷售總值早已超過歐洲并直追美國(guó)。到目前為止，全球已有百余家公司從事該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)、研制與銷售工作，MIM技術(shù)也因此成為新型制造業(yè)中最為活躍的前沿技術(shù)領(lǐng)域，被世界冶金行業(yè)的開拓性技術(shù)，代表著粉末冶金技術(shù)發(fā)展的主方向。

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。粉末冶金齒輪是各種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍使用的粉末冶金零件，雖然在大批量的情況下是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的，不過在其他方面也有待改進(jìn)的地方。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。

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。目前大部分金屬喂料都有專業(yè)的供應(yīng)商，有些比較有實(shí)力的大型工藝使用商也在喂料生產(chǎn)領(lǐng)域積極探索，試圖降低生產(chǎn)成本的同時(shí)生產(chǎn)出適合更多適合自身生產(chǎn)需要的喂料。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)。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。因此，密煉機(jī)的出現(xiàn)是橡膠機(jī)械的一項(xiàng)重要成果，至今仍然是塑煉和混煉種的典型的重要設(shè)備，仍在不斷的發(fā)展和完善。該部件打印非常準(zhǔn)確，無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。使金屬表面形成一層氧化膜，以防止金屬表面被腐蝕，此處理過程稱為“發(fā)藍(lán)”。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。

粉末冶金MIM工藝相比傳統(tǒng)精鑄工藝的優(yōu)勢(shì)

MIM使用的原料粉末粒度直徑為2—15urn，而傳統(tǒng)粉末冶金（PM）的原料粉末粒度為50—100urn。MIM工藝的成品密度高，原因是使用微細(xì)粉末。MIM產(chǎn)品形狀自由度是PM所不能達(dá)到的。

傳統(tǒng)的精密鑄造（IC）工藝作為一種制作復(fù)雜形狀產(chǎn)品極有效的技術(shù)，近年使用陶心輔助可以完成狹縫、深孔穴的產(chǎn)品，但礙于陶心的強(qiáng)度以及鑄液的流動(dòng)性限制，該工藝仍有某些技術(shù)上的難題。通過回火可使金相組織趨十穩(wěn)定，以保證在以后的使用過程中不再發(fā)生變形。一般而言，此工藝制造大、中型零件較為合適，而小型復(fù)雜零件則MIM工藝較為合適，而且IC工藝材質(zhì)受到一定限制。

壓鑄工藝適用于鋁和鋅合金等低熔點(diǎn)、鑄流性好的材料，而MIM工藝適合各種材質(zhì)。

精密鍛造可以成型復(fù)雜零件，但不能成型三維復(fù)雜的小型零件，其產(chǎn)品的精度低，產(chǎn)品有局限。

傳統(tǒng)機(jī)械加工法：近來靠自動(dòng)化和數(shù)控提升加工能力，在效率和精度上有很大的進(jìn)展，但是基本的程序上仍脫不開逐步加工車、刨、銑、磨、鉆、拋等完成零件形狀的方式，機(jī)械加工的方法精度和復(fù)雜度遠(yuǎn)優(yōu)于其他方法，但是因?yàn)椴牧系挠行Ю寐实?，且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，MIM可以有效利用材料，形狀自由度不受限制?；瘜W(xué)拋光是讓材料在化學(xué)介質(zhì)中外表宏觀凸出的部分較凹部分優(yōu)先溶解,從而得到平滑面。對(duì)于小型、復(fù)雜、高難度形狀的精密零件的制造，MIM工藝比較機(jī)械式加工而言，其成本較低且效率高，具有競(jìng)爭(zhēng)力。

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?，或是顆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。這就帶來了一些問題，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)立的作用來影響整個(gè)流體的流動(dòng)性。通過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、能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除了毛刺的危害，提高了工件的檔次。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。技術(shù)特點(diǎn)：拉絲處理可使金屬表面獲得非鏡面般金屬光澤，同時(shí)拉絲處理也可以消除金屬表面細(xì)微的瑕疵。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。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。展示了通過這種顆粒模型模擬出來的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喂料在充模過程中將發(fā)生粉末和粘結(jié)劑分離的現(xiàn)象。通過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)過程的影響。例如:提高工具、軸承等的硬度和耐磨性，提高彈簧的彈性極限，提高軸類零件的綜合機(jī)械性能等。從而可以監(jiān)視流動(dòng)過程中粉末的運(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。