星期一, 5月 16

    粉末注射成形的未来: Arburg第二次PIM会议的创新和机遇(上篇)

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    ■ ACMT/ 邱耀弘

    本文发表於国际粉末注射成形期刊 2018 年9 月份第十二卷第三期第71~82页
    前言

    早在去年(2018)的夏天,PIM产业界的领袖们齐聚在 德国洛斯堡,参加 Arburg GmbH + Co KG( 以下简称 德国阿博格公司)的第二届国际PIM会议。此会议是在 公司首届PIM会议召开的五年后再次举办,其目标是 通过零件制造商、材料供应商、设备制造商和研究人员 两天的介绍,探索金属和陶瓷射出成形的未来。 Georg Schlieper 博士在本次 PIM International 的活动上作了 以下的整理会报。

    第二届 Arburg PIM 会议於 2018 年 6 月 5~6 日在德国 洛斯堡的Arburg客户服务中心举行。此次国际活动聚 焦於金属和陶瓷注射成形技术的未来潜力,约有200人 来自23个不同国家的参与者参加。与2013年举办的首 届Arburg PIM会议一样,受邀代表们聚集在一起,就 最新的应用开发以及对生产工艺、材料和设备的全新观 点来相互交流。在为期两天的活动中,来自学术界和业 界的专家共同做了十八次演讲,讨论了PIM技术未来的 各个方面。除了这些高级演示之外,代表们还可以看到 各种突破性的MIM和CIM组件的射出成型,例如智能 手机外壳、涡轮机叶轮和LED散热器。同时,许多社交 活动提供了与其他客人建立联系的机会。

    全球性和区域性PIM市场 几位发言者介绍了他们对全球PIM (粉末注射成形) 行业市场数据的估计。根据美国加利福尼亚州圣地亚 哥州立大学 Randall M. German 教授的说法,2017 年PIM产品的总销售额超过25亿美元(图1),而年 增长率为12%。以中国为首的亚洲PIM产业是迄今为 止最强劲的产业,佔全世界MIM零件产量的三分之 二左右。欧洲的市场占有率约为20%,美国的市场佔 有率约为15%。亚洲市场主要由消费电子行业推动, 而欧洲市场则广泛基於汽车和消费品。在美国,枪械 部件在MIM行业中发挥着关键作用。陶瓷射出成形 部分的规模约佔全球PIM市场的15%。

    图 1:显示了 R M. German 教授的统计,包含全球的 MIM( 金属粉末注射成形 ) 与 PIM( 粉末注射成形 )

    北美MIM产业

    来自CM 炉具的Jim Neill和来自Centorr真空工业的 Scott Robinson,根据2018年3月出版的国际粉末冶 金杂志上发表的一篇文章,仔细研究了MIM市场, 该文章由 Peter K Johnson( 特约编辑 ) 撰写。文章中 提到的资讯和采访16个行业专家代表顾问、金属粉末 供应商、设备制造商、服务公司及MIM零件制造商。 作者估计北美MIM零件的销量为3.67~4.2亿美元, 年增长率为5%。需要注意的是,北美数字仅指金属 注射成形行业,并不包括陶瓷。

    欧洲MIM产业

    欧洲粉末冶金协会 (EPMA) 执 行 董 事 Mr. Lionel Aboussouan 介绍了 MIM 和 PM 行业的市场数据 ( 图 2)。欧洲MIM产业的年营业额估计为4.1亿欧元(4.75 亿美元),而全球市场营业额为25.8亿美元。 Mr. Aboussouan强调,虽然欧洲MIM市场主要是汽车和 消费品,但机械工程和医疗应用也很重要(图2&3)。

    图 2:Mr. Gerhard Böhm 为阿柏格注射机的销售经理,在本次 PIM 会议上致欢迎词

    图 3:欧洲的金属注射成形市场区分图 ( 最大的很形显示汽车零件、民生消费品次之 )

    亚洲PIM产业

    来自中国深圳南方科技大学材料科学与工程系副教授 余鹏先生对亚洲PIM产业进行了全面而详细的概述 (部分资料引用Dr. Q)。余副教授将2017年中国MIM 行业的年销售额定为8.53亿美元。中国MIM生产的 三分之二用于手机,而其余的则均匀分布在汽车、消 费品、工具和医疗等常见的MIM应用中(图4)。日 本则是在2010年至2016年期间经历了六年的MIM 产量下降,但在2017年恢复到MIM市场收入的估计 1亿美元,预计增长率为5-6%。日本MIM市场主要 基於工业机械、医疗和汽车应用。印度的PIM产业在2014 年至 2016 年间的收入从 5000 万美元增加到 1.5 亿美元,其中大部分产品出口到北美、欧洲和日本(注 意,根据 Dr. Q 手上资料,2017 年印度 Indo MIM 公 司是全球营业额最高的约为2亿美金,实际上包含 MIM产品的下游组装也算进去,估计实际约为1.1亿 美金是纯粹MIM零件;中国的精研科技Gina在2017 年则有约9亿人民币营业额,折合美金约1.3亿,应 该是全球纯MIM零件制造的最大供应商)。其他PIM 产品的重要供应商是韩国(8,000万美元)和新加坡 (5,200万美元)。亚洲的MIM产业预计将继续保持强 劲增长,特別是在汽车和医疗市场。

    图 4:中国的 MIM 产品的市场区隔 ( 资料源自余鹏教授 ),中国仍旧以手机需求的应用占有最大的比例

    PIM工艺之电脑数值模拟

    有一种进一步推进PIM技术的方法是电脑数值模拟软 件,如 MAGMA (Sigmasoft PIM 模拟软件公司 ) 的 Mr. Götz Hartmann 所强调的那样,正在注射成形工 艺中的广泛使用。尽管塑料注射成形技术中的电脑数值模拟现在已经很普遍,但是在粉末注射成形方面还有许多工作要做。其中一个原因是热塑性材料和PIM喂料显示出明显不同的流动行为,因此电脑数值模型 需要对 PIM 喂料进行特殊调整。 Mr. Hartmann向与 会者保证,今天的电脑数值模型在描述PIM喂料射出 成型所涉及的实际过程方面非常可靠,因此在模具设 计方面可以节省时间和金钱。而壁面摩擦对粉末-粘合剂偏析的效应已借由毛细管流变仪测试来进行。与热塑性塑料不同,PIM喂料的流动行为被称为“喷泉 流动”,是一个在PIM喂料中经常发生的流动行为, 又称为“喷射流”。在孔隙的横截面增加的地方,可能发生与粘合剂和粉末的粉胶分离有关的喷射。而如 今可以通过计算机模型逼真地表现出这些现象。

    对PIM喂料流进行建模有助於在模具设计开始时检测可能的成型缺陷,并在实际模具制造之前对其进行校正,并改善注模。 Hartmann 给出了 PIM 工艺计算机建模的其他例子。他概述了模具的热平衡和模具内的热流对于有效的射出成型至关重要。计算机模型必须包含模具中所有热相关部分,包括其热物理性质和相邻部件之间的热传递。图5显示了Variotherm的一个循环期间模具的四个温度图像,Variotherm是一 种创新的模具分析技术。烧结炉中的温度曲线也已经 建模,并且有研究显示,部件在托盘上的布置对炉子中的温度均匀性具有显著影响。与称为“游击式”的 混沌或随机布置相比,在直线排列的所谓“军事”佈 置允许在加热元件和部件之间进行更有效的辐射热交 换。这导致炉内更有效的热交换,并因此在炉负载中 提供更均匀的温度。通过计算机模拟还研究了各种加 热速率和部件相对于热源的取向对炉负荷中温度梯度的影响。

    图 5:电脑模拟分析获得的模温状态图 ( 一个以 Variotherm 分析模温的状态在 120/165℃ )

    1.PIM粉末和喂料的创新
    1-1.17-4PH:粒径大小与加工性

    原料的可用性和成本是PIM零件总制造成本的重要组成部分,因此可望在该技术的未来发挥关键作用。对 於金属粉末,粒径大小是主要的成本因素,细粉末要比粗粉末更昂贵。

    Keith Murray (来自英国尼思的Sandvik Osprey公司, 气体雾化金属粉末的主要供应商) 呈现了在17-4PH (最广泛使用的MIM合金之一)的粒度对加工和最终性能影响的一项研究。气体雾化粉末呈现出球形颗粒形状,并且在流动特性、低杂质水平和高振实密度方面优异。该研究比较了三种气体雾化等级,分別是粒径为90% -10μm (D50 =5.4μm)、90% -22μm (D50 =10.3μm) 和 -32μm (D50 =13.5μm)。并使用基於聚甲醛(POM)的粘合剂制备具有56-65 vol.%的各种固体载量的喂料。

    射出成形压力与固体负荷的关系曲线(图6)表明, 90% -22μm等级在固体含量高达62 vol.%时具有最佳的可模塑性。在较高的固体含量下,不仅成型压力增加,而且孔隙率也更高并且在1350℃下烧结后更粗糙。最好的结果是使用在1350℃下的62 vol.%和烧 结的固体负载的90% -22μm所能达成。■

    图 6:17-4 PH 金属喂料所使用粉末固体装载量与注塑成形压力的关系图 ( 山特维克公司提供 )

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