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专家论文特辑|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料

日期: 2018-02-01
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上期特辑主要为大家介绍了有关PIM喂料设计是以过去的历史趋势作为基础,文章会叙述到其成分的原料配方标准,今天为大家带来上期的精彩后续……

特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料  特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料


大约二十年前,出现了一个常规喂料贩卖的企业,是由Mr. Ray Wiech所领导,喂料供货商决定了粉末的来源与特性,聚合物配方因素如分子量和配料比例,组合物中的粉末和粘结剂的比例方面,和混炼过程的管控,后者决定了PIM喂料的均匀性。不幸的是,许多喂料是不均匀,仔细以毛细管流变仪试验,就可以知道为何PIM尺寸精度是一个问题。


注射成形过程粉料与黏结剂比例都随时在改变﹐导致烧结体最终的尺寸差异﹐产品过度的烧结收缩来自于该区域浓度过低的粉末(相对的就是黏结剂过多的地方)﹐所以喂料的不均匀性如高达85%,在最终的烧结体的尺寸变化就很大。严格的尺寸控制的关键是先要有足够均匀的喂料,采用一个较低的粘度的喂料对于易于成型是理想的,但是却增加粉末与粘结剂的分离问题。因此,太容易注射的喂料会造成严格公差的绊脚石。


近年来,至少有一批以上的喂料供货商出现(尤其在中国)。除第一家问世的之外,其它都迟迟无法获得市场的青睐﹐这是因为喂料的推广到成为合格的产品需要较长的时间﹐每一次的评鉴都会花费更多的时间来设计模具﹐以验证喂料的好坏。像这么多的企业,现金流在漫长的评估和鉴定期间是一个杀手﹐随着许多喂料供货商出现、然后又消失,出现一个自我实现的预言 - PIM社群预期的失败,舍不得买新的喂料。因此,现金流差、新的喂料供货商提供了又走了﹐导致喂料供应的不断失败。


喂料的混炼制备需要核心技术﹐必须花了很大精力,以确定适当的混炼设备及其操作。如今,它被广泛认可,强力的剪切混合与严格的温度控制是成功的关键因素。这是利用剪-辊混合的捏合挤出机、双螺杆混合机或相关的压力剪切混炼设备。喂料同质化的质量管控﹐最好使用毛细管流变仪测量,但一些企业仍依靠测比重和熔体流动指数测试(MFI)。然而,后者的检测方式其敏感度是不够的且不均匀﹐传达的同构型就会不准确。到目前为止,毛细管流变仪仍是PIM喂料混合均匀性的最敏感最好用的测试设备。


显然,对于一些企业所用的PIM喂料是一个很好的业务,但是这往往局现在前面的几个有能力的供货商﹐他们是不容易被替换的。今天,好的喂料可能是这些作为专注于微型和小部件PIM零件生产的制造商之最好的解决之道﹐对于较大的PIM零件或大批量的生产,外购喂料和自己混合喂料的价格差异﹐是决定采用哪种方式的肇因﹐也就是价格。因此,外购喂料用作较小(产品少量或是小的精密零件)的产品订单(在700万美元/年的销售额)、特殊的订单(手表零件制造商)和高附加价值的业务(医疗工具)﹐这些产品往往是非常受欢迎。另一方面,自制喂料往往是最常用在于较大的产品(涡轮增压转子)、非常高产能的组件(猎鸟弹birdshot)﹑特种合金产品(钛铝钒合金Ti-6Al-4V),和昂贵的材料(白金)。大需求量的生产需要使用自制喂料主要是在于成本敏感度,以美国的猎鸟弹为例表示于图7、还有图8所示的手机的一部分零件。


特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料

图7:猎鸟弹是以PIM制作非常大量的产品﹑其喂料便是采用自行混料的做法


特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料

图8:量大的手机零件采用自行混料的应用


虽然是这样,美国苹果公司采用BASF喂料来控制多家合格供应商的做法,在2012至今,仍旧创造出惊人的产品数量和够多的MIM厂加入,这些公司之间的技术秘密都必须在美国苹果公司的监督下,有条件的互相交换与公开,来提升产品的质量以满足大需求量。


系统的整合

我(German教授本人)第一次PIM操作是在1982年﹐在早期的阶段我感到此专业有令人震惊的复杂性﹐PIM需要掌握许多技术包含:粉末、模具设计、混炼、聚合物、化学工程、流变学、烧结、热处理、质量控制﹐以取得最后的成功。当我第一次召集了技术研讨会,聪明的人们走了出来,因为PIM是太复杂﹐这清楚地推动我们的大学计划对技术的简化工作。


早期的PIM公司往往有一个陶瓷或粉末冶金技术人员﹐有太多的问题,超过他们的经验和教育技能之外,结果是获得很巨大的痛苦。商用PIM喂料面世时,几个塑料模塑供货商终于进入了定制PIM业务。这创造了一个﹐只要是塑料工程师更容易转换成PIM工程师﹐同时也把材料工程师对于塑料成型的认知,教导他们的辩论使他们结合在一起。今天的发现﹐最大的成功来自与材料专家讨论﹐并开始教他们如何成型PIM。


不过,今天我们要欣赏的系统整合是成功的应用到PIM产业。虽然新的公司似乎每月都有成立,但大多数是根据所聘用到的专业人士﹐而他曾是已经学到PIM的技术﹐毕竟PIM很难从头开始。喂料和设备供货商将对这些公司有所帮助,但仍然强调PIM并不是一个简单的技术,尽管现有厂商可以用一个明显的成本低进入这个行业。


对未来的展望

在最近的一项调查的的PIM研究和开发社群,我问过了175名专家,目的是为了确定哪些是在我们这个领域的热门话题。另一个问题,什么样的研究议题显然是死了﹐这些结果的反应可以帮助研发者了解哪些引领行业该投入,什么行业该放弃或是议题。


奇怪的是,粘结剂的研究往往是PIM R&D团队最经常提到,尤其是大型结构件的相关话题。这意味着当前的黏结剂(这可能至少有300种不同的配方被使用中),对于大多数的商业应用中至少已经提供了解决方案﹐合理化的使用。什么粘结助剂使用在什么形状和材料,但感觉PIM R&D社群,却很少有付出在粘结剂研究的经费和动机。同样,如果我们放弃对PIM成型大型零部件,那么现有的黏结助剂已经显示出广泛的商业成功﹐换句话说,新的黏结剂的驱动力,显然是因为PIM试图与类似于铸造件的大型机构零件之竞争。放弃大型机构件采用PIM工法﹐让现有粘结剂更好去应用。


另一方面,令人振奋的是钛。粉末注射成形采用钛于1988年在日本首次展示﹐1993年开始试产过程。由20世纪90年代末的﹐一家PIM制造商每月消耗3吨原料(我有一个非常漂亮的手表﹐是采用PIM钛合金来作的)。然而,PIM用的钛粉是昂贵的﹐它们需要控制污染物﹐保持钛的高纯度﹐所以粉末是昂贵的﹐而且﹐这些昂贵的粉末供给很有限。然而,新的粉末技术正在改变这种情况,显然PIM研发社群可以跳脱过去的困扰而采用低成本的钛合金﹐作为新的产品是更有可为的。然后﹐定义一个未来需要的基础采用新的、廉价的钛合金粉末﹐来作为喂料。事实上,在密西西比州立大学,我们刚刚被资助的一个非常大的计划,朝向以汽车新应用的钛合金组件﹐使用的正是廉价的钛合金粉末。


其他一些相关于研发课题是非常受欢迎的,包括微型零件制造﹐随着全球努力合成纳米级粉末,没有意外的、惊喜地看到第一次报告PIM使用到这些非常小的粉末。例如一个真正需要是制造微创手术工具﹐一些用户社群在谈论的神奇之旅,其中之一是把一艘潜艇缩小到尺寸足以被放在人体的血管系统中旅行。然而,一个更现实的机会存在,需要小切口栓系手术工具﹐这些将被从身体外放进人体﹐并使用光纤的观看这个系统和远程控制操作。由于现有外科手术工具的大小是有限的,想要以微米级的模具内成形PIM,将需要采用纳米级的粉末。现在﹐这样的开发活动是到处可见,从新加坡到德国,在图 9和图10两个小组件的便是很好的例子。


特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料

图9:一组小正畸组件,似乎是专为了以PIM制造的尺寸范围而设计。


特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料

图10:小型的医学检验组件﹐是以PIM所制造的组件的一个例子﹐

产品在100微米的尺寸范围内(此成品的最终长度为8mm和0.1mm厚度)。


一个相关的热门研究来自计算机和服务器的散热处理之应用﹐虽然过去在20世纪90年代早期的努力已经做过很多,但现在,这些计算机装置新的热负荷已经达到需要更好的散热片和热管的地步﹐这些新要求趋向以纯铜或钨铜的才可以获得最佳性能。在其他领域上来说﹐还有着相当大的机会是PIM过去没有的经验,如铝-石墨。然而,近期的钨铜则是一个关键的材料。此外,新颖的热管正在研究中,这些在采用双色梯度铜粉PIM形成热管芯内部结构趋于形成。


因此,PIM的粉末、粘合剂和喂料,在过去20年来的演变从一个黑盒子变成一个可评估的领域,依靠科学的概念执行。未来更有一些巨大的机会,生物兼容性材料的微型器件或心脏耗材料, PIM的挑战还没有结束,他们只是移动到一个更高的复杂领域。这将是有趣的工作。


German教授 在2017年4月亲自到上接见我这未曾谋面的第三代和第四代徒弟,他很开心有人愿意传承这个技术,中国共有300家以上的从业者,更是占有全球一半以上的PIM产业。我们期待2018年3月上海PM CHINA以及2018年9月的北京PM WORLD 2018再度见面,写下最美好的历史回忆。大中华的PIM子弟兵们,共襄盛举!


 PM CHINA 2018

3月25-27日

上海光大会展中心

不见不散!!!


不懂请看!粉末冶金究竟是怎么让废料变为成品的


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