金属注射成形技术研究进展

上一篇 / 下一篇  2011-07-25 09:13:07

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用金属粉末注射模塑法制造大型部件
    再也不是仅仅生产小部件了:金属粉末注射模塑(MIM)的最新发展之一就是为喷气式客机大批量制造大型部件——重约3.5bt的气流箱外壳。
    气流箱将喷气发动机的热空气引到飞机的其他地方,例如为机舱供热。模塑加工商纽约Clifton的聚合物技术公司(Polymer Technologies Inc.,PTI)协同亚里桑那州Tempe的霍尼韦尔引擎和系统公司一起开发的这一模件目前正处于资质评审的最后阶段。据PTI公司MIM部主任 Jerry C. LaSalle说,这是世界最大的、也是最复杂的MIM部件,内径3.3in,有厚壁段和薄壁段。PTI使用的是一种镍基的超耐热合金“用MIM法使壳体形成所需的最终厚度,可以大大地减少机加工量。” LaSalle说,“这种合金在高温下的强度、耐疲劳性和抗氧化性好,但是,正是这些特性使其难以用传统方法进行机加工”。
    PTI使用Moldflow公司的MPI模拟软件将开发时间缩短了几周,而且工艺过程的重复性提高。据说PTI是对MIM使用流变模拟的第一家模塑公司。MPI模拟有助于流道的设计和接合缝位置的推断。
    打破极限
    MIM使用10~20mm的精细金属粉末和少量的塑料或石蜡黏合剂。这种非常黏的混合物被注射到模具中,生成的“绿色”中间产物按照传统方法被放在浴槽或烘箱中除去黏合剂,然后“棕色”中间产品被放在烧结烘箱中被完全硬化。
    PTI是一家塑料和金属部件的模塑商,也是MIM工艺的主要开发者。最近,PTI获得了405万美元的MIM研发专款,用于(ATP)“先进技术项目”的完成。PTI拥有5台适合MIM的注射模塑模压机。尽管MIM仅占美国金属成形业不足2%的比例,但是其发展潜力是非常乐观的。
    LaSalle指出,MIM主要被用于生产重1~50g的小部件,大部分为10~15g,如枪上的扳机,表玻璃槽和畸齿校正件。尽管从20世纪80年代起 MIM已经积累了一定的经验,但是仍存在着许多无法克服的困难,例如接合缝、造型缺肉、密度不稳定、翘曲和收缩等,这些缺陷提高了废品率,降低了价格竞争力。正因为如此,飞机和汽车零部件等复杂的大型模件瑕疵率才一直居高不下。
    PTI获得拨款的两年ATP计划将消除这些障碍。Goldenberg说:“MIM的经验数据是,1/8in的模脱黏合剂困难,而1/4in的模件完全不实用,但是我们现在正在打破这个局面。”
    由NIST出资的MIM研究实际上是一个3年的项目,项目的最初领导人Honeywell公司在项目开始1年后退出,PTI继之成为组织者,同其它6家公司和1所大学继续进行研究。这些公司和大学在MIM的不同方面各具专长,其中宾夕法尼亚州立大学的粉末冶金学(P/M)实验室一直是MIM开发的公认带头人。Latitude制造技术公司也是项目成员之一,该公司为项目提供新型海藻黏合剂。
    其他成员还包括纽约Rutherford的H.C.Starck(耐火金属制造商),新罕布什尔州Lebanon市的新罕布什尔工业公司(金属部件供应商),纽约Bloomfield的CM Furnaces和纽约Cherry Hill的G5技术公司(网络管理系统的生产商)。

    无需脱黏合剂
    PTI不断地寻求更多的适用于MIM的金属粉末和黏合剂系统,目前正在研究Latitude制造技术公司的琼脂黏合剂(最早由Allied Signal和Honeywell开发)。这种水基黏合剂是从海藻中提取出来的凝胶状材料。如果在烧结未经处理的模件之前不需要除去黏合剂,则克服了一个难对付的技术障碍。从大而厚的模件中脱除黏合剂一直是生产大型MIM部件的最大障碍之一。使用琼脂黏合剂之后,所需要做的只是用空气干燥模件几个小时,使占黏合剂大部分组分的水蒸发出来即可。
    据报道,RTP公司已经开始提供Latitude公司的金属粉末与琼脂黏合剂的颗粒状MIM化合物。

    计算机模拟
    MIM研究组使用计算机模拟模塑和烧结过程,预测和改进高产量制造的工艺参数。安装在模具和烧结炉内的传感器帮助分析在制造的各个阶段模件的内部状态。研究组还在互联网上创建了一个信息系统,公布项目的结果。
    了解注射速度和压力的影响对可重复的MIM模塑至关重要。Goldenberg说:“用金属模塑时,物流的扩散和收缩是关键问题。”PTI公司使用MPI 软件和Honeywell公司的材料特性数据库建立金属和黏合剂的准确流动模拟,帮助确定不同金属和黏合剂在加工过程中的温度带。
    Goldenberg说:“使用Moldflow软件的原因之一是MPI/3D的解题技术。我们必须使用真正的3D模拟,而不是2D或者2.5D,因为比重、惯量和层流都影响模件的成形。模塑商需要知道材料离开模壁时的特性。”MPI/3D使用独特的四面体网状实体元件制作厚部件的模型,而使用传统的中平面流模拟法做出的模型不够准确。
烧结是研究项目的另一个焦点。研究人员正在开发模拟软件,预测材料的收缩和翘曲,优化烘炉的条件,提高烧结后模件的质量。
    ATP研究项目的合作方CompAS Controls(烧结炉控制技术公司)与宾夕法尼亚州立大学的P/M实验室一起,正在进一步完善由宾夕法尼亚州立大学最初开发的烧结模拟软件。烧结模拟使用实时烧结炉数据(气体流率和温度)计算模件在不同炉段的硬化状态。烧结模拟和实时反馈使PTI公司可以在最大产量和最高准确率的设计条件下操作烧结炉。


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