粉末冶金技术与应用

 ■邱耀弘博士

本期专题:从PM到AM,从深夜到破晓,我们不停歇
作者:邱耀弘博士

对粉末冶金从业者而言,为了做好一件产品或调好制程的参数,深夜到破晓的守夜是我们的家常便饭,然而, 在破晓迎来成功的欣喜,相信是大家最开心的事!

终于,在2018年5月,粉末冶金业界振奋的”破晓”新消息,美国麦肯锡顾问咨询公司(Mckinsey & Company) 所提出的产业调查报告”Factory of the Future”( 未来工厂 ),提到了增材制造 (Additive Manufacturing) 与金属注射成形 (Metal Injection Molding) 将是五年之后引领制造业的顶尖技术 (Top technology),着实地让Dr. Q开心到彻夜难眠,从事粉末成形自台湾科技大学入学到毕业(1996.6.3完成毕 业论文口试,30岁生日)迄今,颇有三十功名尘与土(粉末就是尘与土),幸运的是,这尘与土的成型技术终 于得来世人对它的重视。

话说当年,随着时光飞驰,岁月的增长希望让我们有个“好汉不提当年勇”的美好回忆,而现在Dr. Q记载的 这段美好时光应该就是各位现在的”好汉”们,如果十年以后,回首今天,Dr. Q相信粉末成形业者的各位绝 对不会后悔,这个时候我们的努力让粉末成形技术的小兄弟– 3D打印技术结合了粉末冶金的基础,即将成功 的缩短3D打印的积层时间以及降低制造的成本,设备普及度更加提高、更可以提高积层的分辨率(预测将可 达+/-5um以内)。
为了证明Dr. Q的预测将会是成功的,回顾一下在2012年之后,大中华地区的MIM产业是如何跳脱过去的 沉痾窠臼,以破坏式的创新节奏,成功的占据全球至少一半的市场以及营业额,是什么样的机缘让金属粉末注 射技术得以在华人地区发芽并壮大?又是谁突破了先进国家掌控,并以中国制造反向外输出产品呢?以下是 Dr. Q个人的归纳,请见图1所示。

图 1: 大中华地区 2012~2018 的技术大突破年表

Dr. Q个人真诚的感谢这些投入的供应商,勇敢的付出并落实Dr. Q所谓 的”从深夜到破晓”积极精神,历经多次的失败最后能够成功地研发取代海外设备与材料,对这些企业的负责 人与团队深表敬意。

有了国产化的先进设备与材料的供应,在加上近300家的MIM公司与工厂在这过去7年的一切努力,Dr. Q 尝试着在本期进行回顾并给予各位一个历史定位,我们都知道紧接在2018年9月16~20日,世界粉末冶金 大会即将于中国北京召开,这是中国首次申办成功的世界大会,自然MIM伙伴们不会缺席这场盛会,也利用 本次期刊来告诉大家,我们做了哪些努力准备迎接未来,让世人见识到粉末世界的精采魅力,因为,从深夜到 破晓,我们不停歇。
粉末成形,是颠覆未来制造的基石。现在,令传统制造业坐立难安、投资业者骚动跃动的增材制造,其实早已 经无声息地攻占传统制造业,只是我们没有仔细观察,此话怎说?广义的增材制造本质是无中生有,传统的翻 砂铸造就是一种以无形态的沙子(粉末型态)组合,复制模型的外型后并取走模型成为空无一物的模穴,再灌 注金属熔汤增加材料变成制品;随着时代的进度,更便利的增材制造技术层出不穷的开发出来,但是随着起步 的强度不高的塑胶与高分子材质逐渐变成无机的金属与陶瓷材料的需求,粉末冶金技术的原理和实践已经成为 增材制造的重要基础,请见图2,虽然粉末冶金的技术有上千年的历史,但是真正迈入现代以科学方式使材料、 设备与方法的进步,都是发生在最近半个世纪。

图 2: 粉末冶金制成的制程分类

在过去,粉末制品最终都是在讨论烧结体的密度,然而忽略了过程中可能造成变形的因素,却是要追溯到粉体 的最初形貌,近几年由于增材制造中的塑胶与高分子3D打印崛起,造成了一股旋风,连带的也把材料转向以 无机材料的金属与陶瓷粉末,不过却遭遇到高熔点的材料特性,在3D打印过程碰到许多问题。
增材制造沦为增加财务支出的制造,这是Dr. Q认为是”传统的”3D打印业者对于金属与陶瓷材料科学的知识 不过深入,有下列几点是增材制造不能够更加普及的原因:

●非粉体床技术不容易作为金属或陶瓷增材制造

使用线材的融滴沉积法(FDM)无法有效的沉积高密度(>90%相对原材料密度),主要是混入金属或陶瓷粉末 的体积比不能超过55vol%(体积比),而金属和陶瓷材料的比热容也高,当载体(塑料黏结剂)冷却了,金属 和陶瓷仍旧释放热量,也导致积层的膨胀而无法顺利控制尺寸,在烧结后处理也容易因为固体含量太低,无法 烧结致密化。如UV(紫外线)光固化液体化的材料就更不用提要添加金属或陶瓷了。

●增材制造必须提升效率和节省能量的消耗

无机粉体的增材技术目前是采用高能量(雷射或称激光、离子束甚至电子束)来直接烧结或熔接金属、陶瓷、 塑胶粉体,为了要增加速度,又采用500W大功率的激光以及分光镜,又加大了整体设备的起始费用与平时 消耗的能量;烧结与熔接的高温度对于增材制造的不利因素不光是耗能、速度慢,残留的热应力导致堆积件不 断变形,后续工程十分麻烦,这是过去的缺点。

●昂贵的无机粉体

由于采用高能量熔接必须高温,堆增材间必须有适当孔隙以及均匀的材料分布,因此采用的粉体形貌非 常讲究,金属必须以30~45微米的球型粉体、陶瓷和塑胶则亦须筛选分级出一个粒径分布于很窄的范围 (#400~#500),以便于增材烧结或熔接过程排气、稳定的固化并最好能顺利散热,来预防后续的变形。如此便 垫高了增材制造的成本。

●难以处理的表面硬度(金属)、内部气孔与表面粗度

由于采用高能量的烧结或熔接,必须要在非常短暂的时间降温以防止粉体坍塌,速冷却造成表面的急冷硬化, 因此要后续进行精加工时经常造成刀具的损坏;另外使用粗粉的平滑度远不及细粉末,内部的气孔缺陷也比较 大,积层的厚度也因为粉末粗糙而限制在200um厚度无法更精细。

●高能量直接烧结或熔接限制了材料选择

目前的增材制造因为加工过程高温氧化因素,许多金属或陶瓷材料不能够使用,要知道选用激光是藉助快速结 晶性材料在熔点与固化之间较窄的温度范围内,让粉末在表面微融的半固态以支撑物体的几何形貌,传统的方 式无法避免高温氧化所以必须限制使用材质的粉末和等级,昂贵而不经济限制了增材制造的思路。

图 3: 当 3D 打印采用不同能量进行粉末固化积层的优缺点

如图3所 示,采用高能量进行直接烧结粉体有许多缺点,各位读者可以比较出差异。以室温下粘结粉末颗粒为主,近 两年来由美国惠普科技(HP, USA)为首的高速3D打印技术已经以”常温”粘结粉体的技术(如Exone以及 Digital-Metal,也是如此) ,将昂贵的能量源变成便宜的喷墨印表头,以室温下喷胶水黏住粉末来执行积层制
造,这样的好处可降低设备的成本,同时打印效率增高、积层不易积热减少变形扭曲的机会,打印后得到的便 是如同粉末压结(PM, Press molding)或是粉末注射成形的生坯(Green part),在排除无效的粉末后,进行 脱脂烧结。终于增材制造回归到了基本的粉末冶金制程技术。
因为这样的技术理念在室温下把模型粗坯打出来,再以我们传统粉末冶金的均匀脱脂、烧结的方式,不但可有 效提升3D打印的速度,低温度使得积层不会累积热量,成形后的生坯体就不会扭曲变形,同时,由于粉体因 低温固化能够有效的使用比较细小的粉体烧结,最终成品的每一层可以更细致、高密度以及表面更细致,这将 是未来AM的趋势。
回到基础,创新的本质其实是要对基础科学理论踏实的了解,没有花俏的科技只有真切的实践,我们期待粉末 成形技术大家族的整合再出发,不论时代的如何变迁,也不论未来3D打印如何发展,没有传统粉末冶金业者 近年的努力向上改进,MIM乃至于AM就不可能翻转技术,期待大家族的成员们- 我们,一齐来努力造福类!

Dr. Q 写于家父辞世一周年 2018.7.5 ■

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