MIM技术的竞争制程(2)

■邱耀弘Dr.Q (Yau Hung, Chiou)/ 赵育德硕士James (Yu Der, Chao)

序言

各位读者好,上期杂志为各位介绍了MIM技术,以及 其竞争制程—液态金属技术(LQMT),针对两者进行 详细的比较分析,得出两者在市场上可说是各擅胜场的 结论,在小品件方面是以MIM技术取得绝对的领先, 而LQMT则是适合用于大尺寸与无磁性要求的制品。 这期杂志主题,我们也将继续聚焦於「MIM技术的竞争制程」,为各位带来MIM技术的另外一位强力竞争对 手—增材制造 (Additive Manufacturing, AM),并针 对该技术进行详细的比较分析如下。

增材制造事实上,增材制造是一个年纪不小的新技术,它起源于19世纪,是当时用以描绘地形等高线模型的制作方 式,使制作出的地形模型与真实地貌表现的更为接近。 随后制造业开始以快速原型 (Rapid Prototype, RP) 技 术,将材料一层一层切割后,透过堆叠而上的做法形成模型,而最早的材料是以纸张来胶合,可想而知制作出 的模型之拟真度是极差的。随后发展出的3D列印,其 实际成为专用且实用的设备是在西元2000年后,此时 材料由纸张进步到热塑性塑胶条、丝、粉末与光固化树 脂,而陶瓷与金属粉末3D列印的出现则更为后期。在 2009 年 12 月,美国材料试验学会 (American Society for Testing Materials, ASTM) 正式把各种 3D 列印技 术名词定为增材制造 (Additive Manufacturing, AM)。表1增材制造的相关描述是根据网页综观3D列印制 程 (Overview of the 3D Printing processes, https:// www.core77.com/) 之内容,进行翻译、整理并标注 与粉末制程相关的技术。从表中我们可以发现到陶瓷 或是金属3D列印的材料都会采用固体颗粒粉体,早期采用金属熔体的方式因为对金属件要求强度越来越 高,且高强度金属的熔点温度甚高,熔池法的技术喷嘴已经无法承受高温熔汤,已经渐渐地遭到淘汰。

表 1:目前市面上 3D 打印的方式归纳表

以增材制造的说法,我们可以进行更广义的讨论,模 具品也是一种增材制造的方式,唯一不同的是,有模 具作为边界的限制可以使材料接受高压力挤压而快速 地得到产品,因此模具品的制造速度快,而这种广义 的增材制造也是目前产品制造的主流;金属3D列印 则是目前广义增材制造中最令大家看好的新兴项目, 然而产品产出的速度 (Output rate and Production Speed) 和产品的精度 (Product Accuracy),这两个评 价基準将是考验增材制造是否能够面对市场的直接条 件,模具制造有了模具的边界定义,既有速度又有精 度;3D列印则是在两个评价基準下挣扎,有精度的 就没速度(列印分辨率越高,速度就越慢)、有速度 就没有精度。

由于采用熔滴沉积法与光敏树脂固化方式对于金属产品的分辨率和密度都不够好,接下来Dr.Q将仅针对 表1中的金属列印法进行说明,我们不能忘记金属零 件要求以一体化的目的,非一体化成型的金属零件, 通常其可靠度会下降许多。比较值得一提的是其中 两种金属3D列印方式,分別为黏结剂喷印(Binder Jeting) 与低功率雷射激光固化 (Low powder LASER melting or welding) 两种,这两种方法都采用比较趋 近于MIM所使用的喂料、脱脂,以及烧结之技术, 详情请见以下说明。

1.黏结剂喷印法

黏结剂喷射法目前市面上已有大量设备公司,因为专利的限制而有两大类区分如图1所示,Exone的单喷 头喷胶水喷印法是直接黏结剂喷射法的代表,以金属 粉末直接堆积,且粉末表面不需要任何预处理;HP 的阵列喷头热触媒喷印法则是热触媒喷射印法的先驱 者,金属粉末必须利用MIM的混合喂料技术,预先 与黏结剂进行混鍊。有趣的是进行列印成型后,这 些生坯都需要进行脱脂与烧结固化,与MIM制程是 类似的。黏结剂喷射法的缺点在于黏结剂因毛细现象 (Capillarity)的吸附,在边界会有污染其他不为生坯体的粉末,导致回收上的困难度增加;同时也要注意 到喷粉程序比较麻烦,毕竟液体化的黏结剂或是热触 媒,中间仍需要经过一个热固化的程序,相变(Phase change)所引起的黏结剂收缩增加生坯不良的发生 机会。另外预测收缩率的课题,以3D列印的方式仅 在 1~1.5 大气压 (0.1~0.15MPa) 作业所得的生坯体与 MIM射出成型所获得的生坯(射出压力为50MPa以 上),两者显然的密度差异就造成预测困难度的增加。

图 1:采用黏结剂喷射技术的两大方式之区别在于粉体表面是否进行黏结剂包覆处理

2.低功率雷射激光固化

此处不讨论那些采用高功率直接烧结法,高能激光 (>500 Kw)的成本高、速度慢,且对金属粉末烧结时 必须在惰性气体的保护下进行,这些都是目前金属 3D列印的一些问题。2017年有部分研究者和设备制 造者提出以MIM喂料,经过粉碎和二次的造粒,再 进行筛分,借由这些步骤得到金属3D列印用的粉末 状喂料,如图2的技术。由于粉末外层包覆了一层 黏结剂,当以低功率雷射激光进行扫描过程时,黏结 剂融化并互相黏合形成生坯,很简单的低温低功率固 化,粉体并没有融化,随后进行脱脂和烧结的程序, 再将金属坯体进行强化,以获得强度与机械性能的提升。因为使用低功率雷射激光仅需要融化黏结剂,这 也意味着我们可以利用低成本的雷射激光与MIM的 粉末,大幅改善金属3D列印的设备与粉末价格高昂 之现况,其中姑且不说雷射激光可以重复使用,相对 於单一雷射的激光头,使用阵列雷射激光更可以增加 扫描效率,而且原料粉末成本的降低也是一项很关键 的提升,这个最新的观念称之为核壳技术(Core and shell),请见图3。我们利用黏结剂把大小不同分布的 粉末 (1~40μm)一起造成喂料,并且经过造粒微型化 成为 40~80μm的颗粒,这样就能充分利用MIM粉 末价格的优势,并且能够利用微米级粉末提升产品的 性能。

图 2:以低功率雷射激光进行包覆粉体的固化方式

图 3:核壳技术与 MIM 喂料概念类似

MIM技术被移植到AM技术中已经是不争的事实,金属3D列印目前也发展到制作模具产品和零件,直接 的帮助MIM在成型技术的提升,两者有如麦肯锡顾 问公司的报告所言(在本刊2018年9月号邱博士专 刊翻译中提及),MIM及金属3D列印是未来的两大金属零件主流制造技术,我们乐见它们一起携手合作向前。

下期我们将接着介绍的是「精密铸造」、「锻造」、「传统粉末压制」等与MIM相竞争的制程技术。各位读者,我们下期再见!■

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