3D打印技術(shù)和MIM技術(shù)分析對(duì)比

金屬粉末冶金注射成形（l injection Molding ,簡稱“MIM”）是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)相結(jié)合而形成的一門新型近凈型成形技術(shù)。說到喂料生產(chǎn)就不得不提混煉，混煉是喂料生產(chǎn)的第1步，它是使金屬粉末表面包覆一層粘結(jié)劑，使得金屬粉末和粘結(jié)劑組成均勻一致混合料的過程。MIM技術(shù)在制備幾何形狀復(fù)雜、組織結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異的近凈形零部件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。MIM技術(shù)在加工體積很小、形狀復(fù)雜而對(duì)材料要求很高的各中異型部件方面有優(yōu)勢，也適合于制作高精度微創(chuàng)醫(yī)用器械關(guān)鍵部件。也可以制作不同材料的精密結(jié)構(gòu)件，如陶瓷、鋁合金、不銹鋼、鈦及鎳鈦合金等。

3D打印適合運(yùn)用于航天，等個(gè)性化定制小批量制造需求，但如果把3D打印技術(shù)和金屬粉末注射成型工藝結(jié)合起來，會(huì)有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

不銹鋼喂料生產(chǎn)之混煉時(shí)的粘結(jié)劑與粉末的選擇及重要性

金屬喂料的生產(chǎn)是金屬注射成形行業(yè)不可或缺的組成部分，因?yàn)楣に嚰夹g(shù)要求注射原料必須為一定大小的均勻顆粒，而不能直接使用粉末。捏合機(jī)主要由捏合部分、機(jī)座部分、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等六大部分組成。因此，喂料生產(chǎn)對(duì)整個(gè)行業(yè)來講非常必要。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。說到喂料生產(chǎn)就不得不提混煉，混煉是喂料生產(chǎn)的第1步，它是使金屬粉末表面包覆一層粘結(jié)劑，使得金屬粉末和粘結(jié)劑組成均勻一致混合料的過程。業(yè)內(nèi)人士都知道混煉對(duì)喂料生產(chǎn)很重要，但卻并不是所有人都能系統(tǒng)知道哪些因素會(huì)影響到混煉效果，今天小編就和大家一起從粉末與粘結(jié)劑配比和加料順序的角度了解一下。

為什么要重視金屬粉末與粘結(jié)劑的配比呢?這是因?yàn)槲沽闲阅艿暮脡牟粫?huì)在混煉過程中體現(xiàn)出來，而是會(huì)在后續(xù)的注射成形工藝中間接影響注射效果和制品的最終性能。在進(jìn)行混煉時(shí)就要考慮到注射成形的難易程度和脫粘后的變形情況。

首先要確定金屬粉末和粘結(jié)劑的搭配比例，當(dāng)粘結(jié)劑比例過大時(shí)，會(huì)減小喂料的粘度，使金屬粉末顆粒間的接觸減弱，造成后續(xù)脫除粘結(jié)劑時(shí)變形嚴(yán)重或坍塌;粘結(jié)劑比例過小時(shí)，喂料的粘度雖然提高，但是容易形成空隙，不容易注射，而且脫粘后制品容易裂紋或開裂?！罟钊绻蟮墓罹o密時(shí)，由于需要后續(xù)加工，MIM的成本趨向于增加，燒結(jié)件的公差大概在±0。

對(duì)于不同的金屬粉末，其混煉時(shí)選擇的粘結(jié)劑種類也不同，配比自然也不同。因此，國際上普遍認(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)”。一般要按照粘結(jié)劑和粉末密度算出其質(zhì)量比，按照這個(gè)比例來進(jìn)行配比。有些人還試圖在喂料生產(chǎn)時(shí)加入表面活性劑，實(shí)驗(yàn)表明這會(huì)降低粘結(jié)劑對(duì)粉末的濕潤性，減少粘結(jié)劑的使用量，進(jìn)而提高金屬喂料中金屬粉末的裝載量。

對(duì)于混煉時(shí)粉末和粘結(jié)劑的加入順序也有比較嚴(yán)格的規(guī)定，加料的順序一般是先加入高熔點(diǎn)組元熔化，然后降溫，加入低熔點(diǎn)組元，然后分批加入金屬粉末。這樣能防止低熔點(diǎn)組元的氣化或分解，分批加入金屬粉可防止降溫太快而導(dǎo)致的扭矩急增，減少設(shè)備損失。

綜上，金屬喂料生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)是混煉，而影響混煉效果的主要因素是粘結(jié)劑和金屬粉末的配比和加入順序，因此進(jìn)行科學(xué)配比和加料對(duì)金屬喂料的生產(chǎn)至關(guān)重要。

粉末注射成型技術(shù)彎道超車

粉末注射成型適用不銹鋼，鐵基合金，磁性材料，鎢合金，硬質(zhì)合金，精細(xì)陶瓷等系列。所制備的零件廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、汽車業(yè)、兵工業(yè)、醫(yī)用器械、機(jī)械行業(yè)、日用品等領(lǐng)域。那么粉末注射成型和其他成形工藝特點(diǎn)的比較，哪個(gè)更具優(yōu)勢呢?

　　(一)與傳統(tǒng)粉末冶金工藝比較

　　粉末注射成型作為一種制造高質(zhì)量精密零件的近凈成形技術(shù)，具有常規(guī)粉末冶金方法無法比擬的優(yōu)勢。濃型放熱氣氛的碳勢較高一些，可用作防止粉末冶金鐵基、銅基零件的的氧化和減少鐵基零件的脫碳。MIM能制造許多具有復(fù)雜形狀特征的零件：如各種外部切槽，外螺紋，錐形外表面，交叉通孔、盲孔，凹臺(tái)與鍵銷，加強(qiáng)筋板，表面滾花等等，具有以上特征的零件都是無法用常規(guī)粉末冶金方法得到的。

　　(二)與比精密鑄造比較

　　精密鑄造對(duì)于熔點(diǎn)相對(duì)較低的金屬或合金，精密鑄造也可以成形三維復(fù)雜形狀的零件。但對(duì)于難熔金屬和合金、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷等卻無能為力，這是精密鑄造的本質(zhì)所決定的。另外，對(duì)于尺寸小、壁薄、大批量的零件采用精密鑄造是十分困難或不可行的。

　　(三)與機(jī)加工比較

　　傳統(tǒng)機(jī)械加工法，近來靠自動(dòng)化而提升其加工能力，在效率和精度上有極大的進(jìn)步，但是基本的程序上仍脫不開逐步加工(車削、刨、銑、磨、鉆孔、拋光等)完成零件形狀的方式。

　　機(jī)械加工方法的加工精度遠(yuǎn)優(yōu)于其他加工方法，但是因?yàn)椴牧系挠行Ю寐实?，且其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。金屬喂料的生產(chǎn)是金屬注射成形行業(yè)不可或缺的組成部分，因?yàn)楣に嚰夹g(shù)要求注射原料必須為一定大小的均勻顆粒，而不能直接使用粉末。相反的，粉末注射成型可以有效利用材料，形狀自由度不受限制。對(duì)于小型、高難度形狀的精密零件的制造，粉末注射成型工藝比較機(jī)械加工而言，其成本較低且效率高，具有很強(qiáng)的競爭力。MIM技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工方法在技術(shù)上的不足或無法制作的缺憾，并非與傳統(tǒng)加工方法競爭。粉末注射成型技術(shù)可以在傳統(tǒng)加工方法無法制作的零件領(lǐng)域發(fā)揮其特長。

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。電化學(xué)拋光過程分為兩步：(1)宏觀整平溶解產(chǎn)物向電解液中分散,材料外表幾何毛糙下降,Ra＞1μm。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)。實(shí)際操作中，需要注意的是工件發(fā)黑前除銹和除油的質(zhì)量，以及發(fā)黑后的鈍化浸油。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。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。②、調(diào)整工件的機(jī)械性能，工件淬火后，硬度高，脆性大，為了滿足各種工件不同的性能要求，可以通過回火來調(diào)整，硬度，強(qiáng)度，塑性和韌性。重要的是，該部件的設(shè)計(jì)重量最輕。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?，F(xiàn)在問題MIM改進(jìn)措施及建議美國、歐洲及日本等世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家上世紀(jì)90年代初基本完成MIM技術(shù)向MIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)變，我國MIM行業(yè)與國外總體水平差距大概在10-15年?？偛课挥诘聡腂igRep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。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)行測試并最終曝光。