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金屬或陶瓷粉末注塑成型工藝
使用金屬或陶瓷粉末通過(guò)注塑成型工藝生產(chǎn)復(fù)雜零件
如今，使用粉末材料的注塑成型技術(shù)主要用于制造工業(yè)用復(fù)雜組件。 粉末注塑成型是除了其它成型工藝（精密鑄造和軸向或均衡壓制）外的另一種可供選擇的工藝。
近年來(lái)，用陶瓷或金屬粉末來(lái)制造注塑成型零件的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括汽車(chē)工業(yè)、刀具工業(yè)、磁體生產(chǎn)、紡織工業(yè)、鐘表工業(yè)、家居用品、精密工程、醫(yī)療和牙科技術(shù)以及陶瓷工業(yè)。
在 ARBURG PIM 實(shí)驗(yàn)室，客戶可以通過(guò)實(shí)際觀看樣品生產(chǎn)來(lái)了解粉末注塑的優(yōu)點(diǎn)。
表1: 金屬和陶瓷組件的典型公差
粉末注塑成型技術(shù)使組件的批量生產(chǎn)成為可能，因?yàn)椴捎脵C(jī)械加工或壓制技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)已經(jīng)不再是一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。注塑成型技術(shù)使組件的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程具有幾乎無(wú)限的自由度。
粉末注塑成型制造過(guò)程包括成型零件的初始注塑成型、脫脂和燒結(jié)。 組件公差由以下重要因素確定：
● 粘合劑含量
● 粉末特性
● 混合過(guò)程
● 注塑成型參數(shù)
● 重力變形
● 在燒結(jié)托盤(pán)上的滑動(dòng)性能
可用材料范圍廣泛
原則上，所有細(xì)顆粒、可燒結(jié)的粉末都可以和相應(yīng)的粘合劑混合并在注塑機(jī)上加工。包括氧化陶瓷、金屬、碳化物及氮化物。
由于混合和注塑設(shè)備在處理粉末材料的過(guò)程中會(huì)受到較強(qiáng)磨損，因此建議選擇粒度盡可能小的粉末。 較細(xì)的粉末可降低表面粗糙度，從而在加工過(guò)程中降低磨損并提高生坯強(qiáng)度。 各種粉末材料的性能范圍如表3中所示。
表2: 在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)的高重復(fù)性
粘合劑使粉末可用來(lái)注塑
對(duì)粘合劑最重要的要求是：脫脂過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性、良好的保存特性、不與粉末材料發(fā)生反應(yīng)、很高的零件強(qiáng)度、良好的脫模特性、熱穩(wěn)定性和在脫脂過(guò)程中易于去除并可完全去除。
粘合劑與粉末顆粒之間的粘附力還應(yīng)盡可能高，以便在注塑過(guò)程中增高壓力不會(huì)使兩個(gè)組份分離，而導(dǎo)致填充的零件不均勻。 為了獲得良好的注塑成型特性并以低收縮率獲得均勻的燒結(jié)質(zhì)量，建議采用球形粉末。
具有最佳配比的粘合劑與粉末
在混合過(guò)程中，粘合劑和粉末混合成一種勻質(zhì)的混合物，即原料。 市場(chǎng)上有出售金屬粉末和陶瓷粉末的原料供貨商。 他們供應(yīng)的材料品種繁多，并不斷推出新品。
因此，MIM（金屬注塑成型）或 CIM（陶瓷注塑成型）所需的原料都是現(xiàn)成的，可立即用于注塑，而不再需要內(nèi)部制作。如果可用材料的性能不能充分滿足所需的用途，專(zhuān)業(yè)化的材料供貨商可以開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)客戶需要的特定原料。
注塑成型過(guò)程中的加工步驟
用原料（粉末/粘合劑的混合物）制造成型零件的過(guò)程與塑料的注塑成型過(guò)程相似。
▲ 預(yù)塑
在塑化單元中，原料的粘合劑部分會(huì)在溫度的作用下熔化。
▲ 注塑
塑料混合物在高壓下被注塑到固定在鎖模裝置中的模具中。 模具保持閉合，同時(shí)成型零件硬化。
▲ 開(kāi)模
在零件冷卻后，噴嘴會(huì)通過(guò)注塑裝置的移動(dòng)從模具位置移開(kāi)。 鎖模裝置打開(kāi)，注塑成型機(jī)的頂針系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)頂出成型零件。
▲ 零件脫模
使用機(jī)械手系統(tǒng)從模具中脫出易碎的零件而不造成損壞。 在粉末材料的注塑成型時(shí)，推薦使用此工藝來(lái)保護(hù)綠件免受震動(dòng)或沖擊，從而避免損害成型零件的質(zhì)量。
及時(shí)適量生產(chǎn)
材料和模具的更換可以在不到 20 分鐘之內(nèi)完成，這使它適用于精益生產(chǎn)(Just-In-Time Production)。 由于具有各種自動(dòng)化選配件，因此可在無(wú)需操作者太多參與的情況下，對(duì)由金屬或陶瓷粉末制造的組件實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
注塑成型機(jī)的結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)螺桿式注塑成型機(jī)由鎖模裝置、注塑裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成。 由兩個(gè)半面構(gòu)成的模具固定在鎖模裝置中。 鎖模裝置本身具有靜止模板（即所謂的固定模板）和可移動(dòng)范本。 當(dāng)鎖模裝置合閉以及模具隨之合閉時(shí)，即可以注入材料。 當(dāng)通過(guò)打開(kāi)鎖模裝置而打開(kāi)模具時(shí)，即可將成型零件脫出。
注塑裝置的結(jié)構(gòu)
注塑成型機(jī)上的注塑裝置由螺桿（用于進(jìn)料、壓縮混合料并去除氣泡）、加熱系統(tǒng)（將混合料加熱到一定溫度）和噴嘴（經(jīng)過(guò)壓縮和加熱的材料通過(guò)該噴嘴在壓力下注塑到模具中）構(gòu)成。 注塑成型機(jī)的所有移動(dòng)和生產(chǎn)過(guò)程都可以通過(guò)屏幕控制功能加以協(xié)調(diào)控制。 調(diào)節(jié)參數(shù)一經(jīng)確定，即可以保存到數(shù)據(jù)媒體上，從而確保了以前使用的生產(chǎn)周期的可重復(fù)性。 在生產(chǎn)過(guò)程中，可以自動(dòng)識(shí)別并分離不合格零件和合格零件。
注塑模具
塑料注塑成型技術(shù)中常用的模具設(shè)備（如滑板、抽芯機(jī)構(gòu)、脫螺紋裝置和內(nèi)部壓力傳感器）也可以用于粉末材料的注塑成型。 不過(guò)，由于粉末/粘合劑熔化材料具有研磨性，因此必須保護(hù)模具型腔和注塑裝置以防止磨損（例如通過(guò)特殊硬化工藝或合金）。
從綠色的成型壓塊中去除粘合劑
在脫脂過(guò)程中，粘合劑會(huì)通過(guò)催化劑、熔解或熱分解作用從綠件中去除。
脫脂過(guò)程可以借助于能夠有效加速化學(xué)反應(yīng)順序的適宜爐溫和氛圍來(lái)進(jìn)行。 粘合劑被去除后，成型零件會(huì)變成多孔易碎的模型，即所謂的“棕件“。 在此情況下，零件僅通過(guò)極少量的殘留粘合劑和范德瓦爾斯力保持穩(wěn)定。 根據(jù)所使用的粘合劑系統(tǒng)，必須按照適用要求對(duì)脫脂爐進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的調(diào)整。
脫脂爐必須具有非常好的氣體循環(huán)特性。唯一的例外是需要在脫脂過(guò)程中埋置零件的粘合劑系統(tǒng)。 生成的廢氣必須通過(guò)適當(dāng)?shù)南掠蜗到y(tǒng)進(jìn)行處理（例如通過(guò)二次燃燒或使用催化轉(zhuǎn)化器）。
形成機(jī)械穩(wěn)定的粘合效果
為了牢固地粘合棕色成型壓塊的顆粒，零件需要在更高的溫度中進(jìn)行燒結(jié)（最高達(dá)2000℃）。
根據(jù)熔爐環(huán)境條件、溫度-時(shí)間曲線及壓力分配情況，該工序類(lèi)似擠壓燒結(jié)部件時(shí)所使用的工藝。通過(guò)擴(kuò)散和/或液態(tài)產(chǎn)生以及晶體生長(zhǎng)而形成最終的成型件。
注塑成型的燒結(jié)零件最高可以達(dá)到 99.9%的理論材料密度。 在選擇了適當(dāng)粉末的情況下，零件可以各向同性地收縮，即在燒結(jié)過(guò)程中各個(gè)方向上的收縮量相等。 燒結(jié)零件的特點(diǎn)是具有均勻的特性。 在注塑成型過(guò)程中生成的缺陷無(wú)法通過(guò)燒結(jié)進(jìn)行修復(fù)。
在燒結(jié)后的改良工序中，大多就只需配合修整或者刃口打磨。在金屬或陶瓷注塑中，精細(xì)的粉末及合適的模具表面可以保證極高的表面質(zhì)量。
為向感興趣的人實(shí)際演示粉末材料加工及其所有重要工藝步驟，ARBURG 建立了自己的 PIM 實(shí)驗(yàn)室。
在此，從原料開(kāi)發(fā)、準(zhǔn)備和注塑成型直到成型零件的脫脂和燒結(jié)，所有步驟都可以在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測(cè)試。
ARBURG 的資深專(zhuān)家可以向客戶說(shuō)明每個(gè)循環(huán)步驟細(xì)節(jié)，例如，粉末和粘合劑適宜的混合比例、“綠件”生產(chǎn)、后處理方法，以及機(jī)器和模具設(shè)計(jì)。
ARBURG PIM 實(shí)驗(yàn)室
PIM 實(shí)驗(yàn)室可以為客戶開(kāi)發(fā)并生產(chǎn) 1/2 升左右到 100 升粉末的原料混合物。 為了優(yōu)化原料的進(jìn)料特性，必要時(shí)還可以將原料處理成均質(zhì)的粒狀物料。
該實(shí)驗(yàn)室裝備有各種必要設(shè)備，可以執(zhí)行當(dāng)前市場(chǎng)上的所有脫脂過(guò)程。 對(duì)于使用HNO3 和 N2 的催化脫脂，實(shí)驗(yàn)室具有容量為 60 升的爐。 熱脫脂可以在 120 升爐內(nèi)進(jìn)行。 爐體使用特殊的循環(huán)氣體系統(tǒng)；可以對(duì)所有零件進(jìn)行均勻的脫脂。
在 Soxlet系統(tǒng)中，還可以使用各種溶劑（丙酮、乙醇等）對(duì)綠件進(jìn)行脫脂。
一臺(tái)直徑為 145 mm、有效長(zhǎng)度為220 mm 的管式爐可用于燒結(jié)。H2、Ar 或N2 以及這些氣體的混合物可用作爐內(nèi)氣體。
氧化性材料可以在兩端加熱的箱式爐內(nèi)在氧化性氣體下燒結(jié)到 1700℃。 有效容積為 1.2 升。
總結(jié)
粉末注塑成型適合于復(fù)雜、高精度成型零件的大批量生產(chǎn)；對(duì)具有內(nèi)螺紋、難于加工的底切和不規(guī)則表面的組件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化的生產(chǎn)，同時(shí)保證出色的表面質(zhì)量。
粉末材料注塑成型的好處包括:
● 批量生產(chǎn)
● 使用傳統(tǒng)工藝無(wú)法生產(chǎn)的零件可以一步完成生產(chǎn)
● 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的成型零件設(shè)計(jì)
● 可以快速調(diào)整生產(chǎn)
● 成型零件表面質(zhì)量高
● 成型零件尺寸穩(wěn)定性高
● 零件無(wú)需費(fèi)時(shí)耗資的再加工
● 可以自動(dòng)化生產(chǎn)
● 生產(chǎn)基本無(wú)浪費(fèi)
