В последние годы тенденция роста отрасли PIM была очень сильной. Обзор рынка и прогнозный анализ отрасли MIM, проведенный BCCResearch, показывают, что мировой рынок продукции MIM в 2004 году составил 382 миллиона долларов США и, как ожидается, вырастет до 571 миллиона долларов США в 2009 году со средним годовым темпом роста 8,4%.
1.2 Постоянное расширение области применения литья под давлением порошка Процесс PIM подходит для массового производства небольших металлических, керамических или карбидных деталей сложной формы. С развитием и постепенным созреванием технологии PIM область ее применения постоянно расширяется и больше не ограничивается деталями часов, электронными механическими деталями, медицинским оборудованием и деталями легкого оружия. Промышленное продвижение и применение PIM должно сочетаться с его собственными характеристиками процесса, чтобы сделать его очевидным техническим соответствием по сравнению с такими процессами, как литье под давлением спеканием, точное литье и механическая обработка. 1) Массовое производство сложных изделий По сравнению с традиционным литьем под давлением спеканием процесс MIM подходит для производства сложных металлических деталей. Опрос общественного мнения Sandvik Osprey о будущем рынке MIM показывает, что среди автомобильной промышленности, аэрокосмической промышленности, медицинского оборудования, электронных коммуникаций, товаров народного потребления и других промышленных областей 81% людей считают, что автомобильная промышленность будет самой быстрорастущей областью на рынке продукции MIM, в то время как 19% считают, что это будет область медицинского оборудования. Таким образом, MIM-детали для автомобилей из нержавеющей стали, низколегированной стали Fe-Ni, сплава и лигатуры на основе Ni, а также медицинское оборудование MIM из нержавеющей стали, CoCrMo (F75) и титанового сплава станут основными точками роста будущего рынка MIM. В области электроники и электроприборов MIM используется для производства изделий все более сложной формы. Теплоотдача радиатора ЖК-дисплея, изготовленного в австрийском исследовательском центре ARCSeibersdorf с использованием технологии литья под давлением медного порошка, в 4 раза выше, чем у оригинального литьевого изделия из материала G-AlSi. Австрийская компания Fotec также использует технологию литья под давлением медного порошка для производства радиаторов чипов чрезвычайно сложной формы.
2) Формование сложных изделий из труднообрабатываемых и тугоплавких материалов. PIM имеет широкие перспективы в формовании сложных изделий из таких материалов, как цементированный карбид WC-Co, вольфрам и вольфрамовые сплавы, рений и керамика из оксида алюминия. Французский национальный центр атомной энергии (CEA) использует технологию PIM для производства новых микроалюминиевых теплообменников. Исследовательский центр Froschungszentrum Karlsruhe в Германии и исследовательский центр ARC Seibersdorf в Австрии использовали литье под давлением чистого вольфрама для изготовления диверторов в ядерных реакторах. В то же время первый также разработал сырье для литья под давлением для сплавов W1La, W-Ni-Fe и WCu, которые, как ожидается, будут использоваться в теплозащитных экранах, микроэлектронике и автомобильной промышленности. Компания Powdermet в США разработала процесс литья под давлением тугоплавких металлов рения, WC-Co и WC-Cr3C2-Co и использует его для изготовления таких деталей, как сепараторы шариков, корпуса клапанов и кольца.
3) Формование индивидуальных материальных продуктов. Процесс PIM имеет преимущества порошковой металлургии. Персонал процесса может проектировать состав материалов в соответствии с потребностями продукта. Эта особенность расширяет область применения PIM и имеет очевидные преимущества по сравнению с такими процессами, как точное литье и механическая обработка. Научно-исследовательский институт под руководством профессора Германа RM из Университета Миссисипи изучает процесс литья под давлением композитных материалов на основе алюминия и нанопорошков псевдосплава W-Cu. С другой стороны, технология совместной инжекции также начала применяться в области MIM. Институт Fraunhofer IFAM в Германии использует этот метод для производства микродеталей 17PH/316L и 316L/Fe с различными физическими свойствами в разных частях. Различные материалы при совместной инжекции соединяются вместе, образуя единое целое во время процесса спекания, в то время как технология сборки MIM в форме (Assembly molding) использует несовместимость материалов во время процесса спекания для формирования и сборки деталей на этапе инжекции. Эта технология произошла от технологии литья под давлением. Компания Arburg использовала этот метод для MIM-изготовления петель путем литья под давлением в форме и совместного спекания сфероидизированного порошка 17-4PH и порошка лигатуры 17-4PH.
Требования к процессу μ-PIM, родственной технологии микролитья порошка под давлением, выше, чем у обычного PIM, что отражено в его различных производственных связях. Размер порошка, используемого в μ-PIM, как правило, на порядок меньше наименьшего внутреннего размера формованной детали. Для металлических материалов он обычно составляет менее 5 мкм. Для керамических материалов он обычно составляет менее 0,5 мкм. Использование тонкого порошка выгодно для точности, качества поверхности и сохранения формы изделия в процессе обезжиривания, но стоимость порошка также увеличивается. Связующее вещество, используемое в μ-PIM, должно быть достаточно низким, чтобы облегчить заполнение микрополостей в процессе впрыска. В то же время связующее вещество должно гарантировать, что заготовка после литья под давлением имеет достаточную прочность, чтобы ее мелкие элементы не были повреждены или деформированы во время извлечения из формы и последующих операций. Поскольку размер порошка очень мелкий, зазор между порошком и связующим веществом уменьшается, и соответственно увеличивается сложность смешивания. Подача должна иметь разумный заряд порошка. Если порошка слишком много, связующее не сможет проникнуть во все поверхности частиц порошка, что затруднит заполнение формы; если связующего слишком много, вязкость подачи уменьшится, а порошок и связующее разделятся в процессе впрыска, что приведет к неравномерной плотности сформированной заготовки. Поэтому μ-PIM должен использовать равномерную подачу с разумным зарядом.
Машина для микролитья под давлением, используемая μ-PIM, обладает характеристиками высокой скорости впрыска, точного измерения объема впрыска и быстрого отклика сервопривода. В настоящее время машины для микролитья под давлением, используемые промышленностью и научно-исследовательскими институтами, связанными с μ-PIM, в основном представляют собой модели серии Battenfeld Microsystem 50ArburgAllrounder и Ferromatik Milacron. Формы для литья под давлением, используемые μ-PIM, могут обрабатываться методами LIGA, UV-LIGA, лазерной абляции, микро-EDM, быстрого прототипирования и другими методами. Различные методы обработки имеют различные диапазоны обработки, точности и экономичности. Износостойкость формы является важным вопросом для μ-PIM. Исследовательский центр Карлсруэ в Германии изучал износостойкость стержней форм, изготовленных из низколегированной стали, высоколегированной стали, твердого сплава, никеля и других материалов. Износ стержня связан с порошковым материалом и связующим. Испытание показывает, что коррозия является основным механизмом износа. Улучшение микрооднородности материала формы благоприятно сказывается на его износостойкости, но прямая связь между твердостью материала формы и износостойкостью пока не обнаружена. В процессе впрыска μ-PIM необходимо разумно контролировать такие параметры процесса, как температура формы, температура подачи, скорость извлечения из формы, давление впрыска, скорость, время и т. д. Очень важно использовать численное моделирование для оптимизации параметров формы и процесса литья под давлением. В процессе извлечения деталей μ-PIM детали могут частично выпадать в полости формы, что напрямую влияет на точность деталей. Чтобы обеспечить воспроизводимость деталей при массовом производстве, компания Battenfeld разработала систему визуального контроля для наблюдения за целостностью деталей после извлечения из формы и за тем, есть ли детали, выпадающие в полости формы.
Для μ-PIM уменьшение размера деталей сократит время, необходимое для обезжиривания, но мелкие частицы порошка увеличат время, необходимое для обезжиривания. Когда для μ-PIM используются связующие на основе парафина, необходимо улучшить сохранение формы и прочность заготовок в процессе обезжиривания. Исследования показали, что связующие μ-PIM, состоящие из полимеров PAN, EVA и HDPE, имеют лучшие эффекты в процессе обезжиривания. Порошок, используемый в μ-PIM, мельче, чем порошок обычного PIM, что снижает температуру, необходимую для спекания. Эффекты роста зерна, окисления и сфероидизации необходимо контролировать в процессе спекания.
Исследования и применение технологии PIM стремительно развиваются и в полной мере раскрывают свои особенности и преимущества. μ-PIM и литье под давлением легких металлов имеют широкие перспективы развития и являются горячими точками исследований в области PIM. Использование компьютерного численного моделирования для оптимизации проектирования процесса PIM является неизбежной тенденцией в будущем. Поскольку PIM охватывает порошковую металлургию, химическую промышленность, машиностроение и другие области, региональное и международное сотрудничество крайне необходимо.
Share:
Применение литья металлов под давлением (MIM) в медицинской сфере
Ограничения и тенденции развития литья металлических порошков под давлением