星期四, 5月 19

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

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    ■ ACMT/ 邱耀弘

    上篇为4月号页码:104-107

    1-2.Catamold evo: 下一世代BASF喂料

    来自巴斯夫的 Johanna Wallot 提供了有关“下一世 代”POM原料的信息,提供了改进的可塑性,并以商 标名Catamold evo进行销售。据说,字尾’evo’代表进化,旨在表示原始粘合剂概念的连续性和向新应用的发 展。新喂料所需的模具压力证明了其在模塑特性方面的 改进(图7)。

    图 7: 使用 Catamold evo 喂料使用模具压力降低 (BASF 提供 )

    1-3.CIM喂料的发展

    Karin Hajek ( 来 自 德 国 莱 茵 巴 赫 的 Inmatec Technologies GmbH,该公司是即用型 CIM 原料的制 造商)提出了对陶瓷原料挑战的述评。 Hajek强调为了 不超出特定成本限制的苛刻工程应用来鉴定正确的陶瓷 粉末等级的重要性。喂料制造商的专业知识在于将陶瓷粉末加工成均匀的粉末-粘合剂混合物,来破坏凝聚物并生产均匀形状和尺寸的颗粒以获得均匀的剂量。而喂料应具有高流动性并完全没有金属污染。

    Inmatec提供三种标準类型的粘合剂系统;一种基於蜡聚合物,适用于水中的部分脱脂;第二种是基於聚酰胺, 需要在丙酮中进行部分脱脂;第三种是基於聚甲醛,需 要在硝酸环境中催化脱脂。同时,还开发了定制的陶瓷粉末和粘合剂配方。

    2. 在生产技术的创新
    2-1. 扩大PIM部件的尺寸范围

    会 议 主 办 方 Arburg, 由 Arburg PIM 团 队 成 员 Hartmut Walcher代表出席了会议。 Walcher分析了 射出工艺,并就如何扩大元件尺寸的限制、减小壁厚 和改善PIM产品的尺寸稳定性提出了想法。 (Fig. 8)

    图 8:会议空档的休息期间,各种 MIM 和 CIM 部件在会议的展示区进行了注塑成型,包括以 Catamold 316L 制造的用于 LED 灯的仿生物化 MIM 散热器 ( 由 Arburg 提供 )

    用于动态模具温度控制的创新系统被认为是改进流动 长度和尺寸稳定性的重要步骤。传统而言,注射成形机配备有单个温度控制单元(TCU),其将模具温度保持在冻结原料的程度以允许组件被移除。新的动态温度控制可实现两个温度水平:注入阶段较高,冷却阶段较低。而注入阶段的较高温度有利于原料的流动。

    图 9:手机后盖 ( 左上 ) 和动态温度控制系统 ( 右上 ) 测试模具示意图。下方的图片显示智慧手机后盖处于生坯状态 ( 左侧 ) 和烧结状态 ( 右侧 ),并达到公差的要求 ( 由 Arburg 提供 )

    测试模具是专为智能手机后而盖构建,和使用动态温 度控制系统(图9上)来操作。动态温度控制由两个 TCU组成,一个为高温提供热水,另一个为较低温度 提供冷却水。切换单元(Vario)根据需要将水引导至模 具(消费者)。能量存储单元(电池)用于通过中间存 储热水或冷水来节省能量。

    智能手机后盖(图9,底部)的生坯尺寸为160 x 81 mm,壁厚为 1-1.2 mm。投影面积为 128 平方厘米,射出体积约为19立方厘米。流道长度为21毫米,而 模具中的最大流动长度为47毫米,纵横比为47。采 用传统的温度控制,不可能注射这个部件,但是使用 动态温度控制系统可以模制出完美无瑕的部件。烧结 部件的宽度具有小于+/-0.2mm(0.2%)的尺寸变化, 并且长度变化小于+/-0.2mm(0.1%)。烧结密度为 7.68克/立方厘米;理论密度的98.3%。 James:很可惜,这已经是 2017 的旧议题,2018 年发现没有一个智能手机制造商会使用如此大而重的 手机后盖,阿博格显然没有注意到市场上真正的需求 而推出不受青睐的产品技术,读者请自行判断,尤其 在5G手机设计上,金属与陶瓷后盖的设计已经被排 除。

    Mr. Walcher总结了动态温度控制的优势,因为它可以实现长流动长度,防止粉末-粘合剂分离并实现均匀的生坯密度。因此,烧结过程中的收缩会更均匀并且可以满足更接近的公差。而烧结后密度足够高,无需后续的HIP处理即可进行拋光。

    2-2. 使用PIM喂料的挤出和增材制造

    PIM喂料不仅适用于射出成型,也适用于挤出和增材制造。因此,一些讲者在考虑PIM技术的未来的同时也考虑了这些技术。 Frank Petzoldt 博士 ( 来自德国 不来梅的Fraunhofer IFAM)表示,他预计许多新产品 将使用PIM喂料挤制生产。该工艺能够在一系列具有 非常薄的壁厚的材料中生成复杂的轮廓。

    由来自西班牙雷阿尔城,Universidad de Castilla La Mancha (UCLM) 的 Gemma Herranz 教授领导的研 究小组DYPAM开发了一种基於专有新粘合剂配方的 强力柔韧长丝,可以借由低成本增材制造机器卷绕和 印刷出像塑料一样。最终所得到的生坯部件与射出部件相当,且脱脂和烧结步骤相同。这项称为熔融灯丝 制造(FFF)的技术正在用来评估原型和小型PIM部件 的生产以及新的AM设计。

    Dr. Q: 中国的青岛亘易隆 (Greenlong) 所推出的 颗粒喂料熔融沈积成形 (Pellets Feedstock Fused deposition Moding, FFDM) 已经完成 MIM 与 3D 打 印更进一步的接合,喂料不需要制作呈线材或棒材直 接使用如图9-1。

    图 9-1:亘易隆颗粒喂料熔融沉积成形金属 3D 打印机的工作原理

    2-3. 双组成MIM现在成为现实

    德 国 Schunk Sinter-metalltechnik 的 Mr. Michael Guenther 代表 Ingolf Langer 介绍了 Schunk 的首款双金属(2C-MIM)产品。在该方法中,将两种不同的 喂料共注射到模具中,然后烧结以形成具有强连接的 双材料组分。所呈现的组件用于具有可变涡轮几何形 状的涡轮增压器中(图10)。销必须是可焊接的并且具 有耐磨和耐腐蚀的表面,并且调节杆还必须是耐腐蚀 的并且在与销接触的点处不磨损。 Schunk开发的解 决方案是两个MIM部件,结合了可焊接不锈钢和耐 磨钴合金。

    图 10:涡轮增压器调节杆和销由 2C-MIM 制成。这些零件结合了可焊接不锈钢和耐磨钴合金 ( 由 Schunk Sintermetalltechnik 提供 )

    在这些部件可以以高质量大量生产之前,必须解决许 多问题。测试了具有不同粘合剂和粉末的几种喂料变化。不同材料的流道必须被分离,以增加循环时间, 并且必须找到两种合金的共同烧结方案,以生产具有 高密度和均匀收缩的零件。

    Mr. Guenther想像出在未来有更多有用的多组成MIM 材料组合。提出了诸如软磁/耐磨、软磁/非磁、可 焊/耐磨、耐磨/耐热、低成本/高成本和金属/陶 瓷的组合。 Fraunhofer 教授的 Petzoldt 教授发现了 更大更重的MIM零件的趋势,并且认为2C-MIM正 在获得越来越重要的意义。图11-12所示的阀套将磁 性和非磁性不锈钢组合在一个部件中。该部件长约40 毫米、直径6毫米,且壁厚仅0.65毫米。

    图 11:由两种材料组分的注射成形和共烧结,不仅消除了连接工艺环节,而且为 MIM 零件的功能性添加开辟了新的方向。左侧的图像显示使用顺序注射成型进行接合,而右侧的图像是同时注射成型的结果 ( 由 IFAM 提供 )

    图 12:两种材料制成的喷油器阀套演示 ( 由 IFAM 提供 )

    2-4.烧炉技术的进步

    德 国 Düren 的 CREMER Thermoprozessanlagen GmbH 董事总经理 Ingo Cremer 强调了 MIM 零件批 量生产的高温炉技术的现状和未来计划。该公司最初 的MIM-Master连续脱脂和烧结炉已经发展成为一整 套具有不同生产能力的步进式加热炉,从估计年产能 72吨到超过400吨黑色金属原料。除单流线型号外, 还可提供双流道步进樑式炉。脱脂可以既催化并用溶 剂中进行。

    根据 Cremer 的说法,最新版本的 MIM-Master 具有更好的通风和更準确的温度控制。减少了燃气和能源 消耗,炉子可以处理更大更重的部件。废气的后燃烧 在两阶段氧化还原过程中进行,并且还可以选择还原NOx。热处理单元也可以集成在高温区和冷却区之 间。据 Cremer 报导,全球安装的 MIM-Master 产能 目前在欧洲为3,500吨/年(18个单位),美洲为1,500 吨/年(8个单位),亚洲为7,200吨/年(41个单位)。

    Cremer对2020年的抱负是能够在与当今机器相同的 佔地面积上增加一倍的容量,并将能耗降低到当今数 值的75%。通过多层次的新型集成温度控制系统和基 於计算机模拟的优化层流气流的改进烧炉设计,可实 现更高的烧炉负荷。

    3.先进的PIM产品和应用
    3-1.航太:MIM可以飞! 除了生产力、材料和设备的持续改进之外,PIM行业 未来的一项重要任务是改进现有应用并开发新应用。 法国圣维,Alliance-MIM总经理Jean-Claude Bihr认 为,民用和军用飞机在航空航天工业中对MIM零件 的需求不断增长。航太应用需要很长时间进行开发和 鉴定,但这可以通过长壽命周期和可观的收入来获得 回报。

    潜在的航太应用是燃烧室中的喷射器和旋流器、涡轮 机和压缩机的叶片和翼片、外罩、机械部件、连接器 等。高温应用需要镍基合金,如哈氏合金 X、Rene 77和INCO 718。当重量减轻很重要且温度较低时, 可以使用钛合金Ti6Al4V,机械部件和连接器通常由 17-4PH不锈钢制成。

    图 13:该旋流器设计用于飞机发动机的燃烧室,并使用绿色机械加工来制造非常小的孔,并通过烧结接合来制造多个绿色零件的装配 ( 礼遇联盟 -MIM)

    图13中所示的旋流器由哈氏合金X制成。在烧结后 进行热均压(HIP)以除去残留的孔隙率。 MIM工艺实 现了各向同性微结构,没有残余应力,表面粗糙度Ra小于2μm,无需二次加工。 Schunk 同意 AllianceMIM认为航太领域具有巨大的MIM应用潜力。 Guenther以图14所示的压缩机叶片为例。该部件高 度约为40毫米,由镍基合金Inconel 713LC制成,并 於今年早些时候进入劳斯莱斯公司的商业生产。

    图 14:飞机发动机的压气机叶片。该零件约 40 mm 高,由镍基合金 Inconel 713LC 制成( 由 Schunk Sintermetalltechnik 提供 )

    3-2.牙科领域的机遇

    关 於 齿 颚 矫 正 领 域 的 创 新, 台 湾 MEM Dental Technology 的首席执行官 Michael Wei ( 魏董事长 ) 报导了用于牙科支架的MIM材料的未来。该公司的 第一款MIM牙科支架由316L奥氏体不锈钢制成。下 一步是 Co28Cr6Mo 合金 ASTM-F75;第一个由氧化 锆和氧化铝制成的陶瓷支架於2014年生产,随后是 钛Ti6Al4V。而正在进行的研究则是针对第二代氧化 锆、多孔NiTi合金、铌和镁合金。

    4. CIM材料和制程创新

    在陶瓷注射成形领域,佔全球PIM行业的15% 左右,且氧化铝和氧化锆仍然是最广泛使用的材 料。 Inmatec Technologies GmbH 总 经 理 Moritz vonWitzleben报告说,目前消费电子市场对氧化锆 CIM产品的需求正在显著增长,而汽车行业和消费品 市场的氧化铝应用越来越多。同时,对氮化硅和半透 明陶瓷的需求也在增长。

    其他工程陶瓷如碳化硅和氮化硼可供使用,但据称需 求仍然有限。与MIM一样,CIM行业也在开发基於 共注射不同原料的2C-CIM产品。第一批陶瓷-陶瓷 元件已经开发和制造,但尚未商业化陶瓷金属应用。 使用熔融长丝制造的陶瓷增材制造也正在开发中,然 而根据 von Witzleben 的说法,通过挤制,CIM 或 AM制造的工程陶瓷的潜力巨大且仍然很少被挖掘。

    4-1.用于牙科植入物的钇安定氧化锆(Y-TZP)

    德国霍赫多夫,OxiMaTec 总经理 Wolfgang Burger 提供了对CIM材料开发过程的深入了解。目标是用于 牙科植入物的生物相容性陶瓷。选择的材料是由CIM 处理的钇安定氧化锆(Y-TZP)。用于模压的高化学纯 度的商业粉末等级可从几个供应商获得,通过氧化锆 和氧化钇的共沉淀然后煅烧来生产。这些粉末的比表 面积为7-9m²/g,平均粒径D50 =0.3-0.4μm。

    OxiMaTec开发了另一种粉末生产工艺,并用氧化钇 涂覆极细的纯氧化锆粉末颗粒。该粉末的比表面积为 17.5m2 / g,平均粒径 D50 =0.08-0.22μm。极细的 粉末需要改进的粘合剂配方用于塑化,之后可以通过 射出生产无缺陷的生坯部件。而达到全密度的烧结温 度远低于商业粉末的,并且由于晶粒生长减少,会导致超细微观结构。

    Y-TZP是用于牙科植入物(图15),但许多其它的应用 也是可能的。该材料的特征在于高机械强度和断裂韧 性。与CIM制程相关的涂层粉末,达到了比模具压制 材料高20%的强度。结果表明,CIM可以成本有效地制造具有高密度和优异机械性能的小型复杂零件。

    图 15:由钇稳定氧化锆制成的牙科植入物 (OxiMaTec 所提供 )

    5. 用于能源生产和下一世代车辆的PIM材料

    固体氧化物燃料电池(SOFC)作为由PIM喂料的FFF 生产的陶瓷和金属部件的潜在应用,由Christina Berges 博 士 ( 西 班 牙 雷 阿 尔 城,Universidad de Castilla La Mancha 的先进材料设计及加工联合会成 员)提出。虽然FFF能够有效开发PIM原型,但有人 建议,转换为CIM以大规模生产SOFC陶瓷阳极可以 为PIM产业提供重大推动。此外,MIM生产金属连 接器可以提高SOFC的效率,并扩大能源领域的MIM 市场。

    Petzoldt教授(博士)表示,他预计将有越来越多的 所谓功能材料借由PIM生产。功能材料的特征在于可以选择性地影响的特定性质。它们是由结构材料区分,但没有明显的分化;功能材料着重於预期用途,例如:磁性或导热性,而不是组件的结构设计。 Petzoldt设想复杂形状的钕-铁-硼永磁体作为一个 重要的潜在PIM产品。磁热材料也可应用于创新的冷 却概念。

    结论

    国际专家们为Arburg PIM会议提供的各种贡献,为 全球PIM行业的现状提供了多样化的图景,而热烈的讨论则突显出了新产品开发的机会。而非常不寻常和高度赞赏的是,像Arburg这样的工业公司理应组织这样规模的会议,提供空间并自费作主办者,以进一 步促进整个行业的发展。会议清楚地表明,原材料和 设备供应商,研究人员和零部件制造商都可以通过继续为其行业的未来而努力工作。 1940年,美国计算机科学先驱Alan Kay表示,“预测未来的最好方法是发明它。”希望与所有创新和前瞻性技术一样,所有 参与PIM技术的人都将努力孕育出丰硕的果实。■

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