搜索金屬粉末注射成型及Moldflow運(yùn)用
2016-11-23 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
一、概述
金屬粉末注射成型(MetalPowderInjectionMolding,簡稱MIM)技術(shù)是當(dāng)今粉末冶金領(lǐng)域發(fā)展最快、最具應(yīng)用潛力的新型粉末冶金近凈成型技術(shù),被譽(yù)為當(dāng)今最熱門的零部件制備技術(shù),該技術(shù)是傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)與塑料注射成型技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物在制備幾何形狀復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)均勻高性能的金屬零件產(chǎn)品方,尤其具有優(yōu)勢。
二、定義
金屬粉末射出成形是將細(xì)小、球狀的金屬粒子用各種不同的黏結(jié)劑混和并制造成小球的形狀成為射出料,再用射出成型機(jī)射出成型使用射出技術(shù)成形將金屬粉末,經(jīng)由射出機(jī)將其射入模具中成形,再將其冶金燒結(jié)成固體的技術(shù)成形后的生胚,需經(jīng)過脫脂的過程,把先前混入的黏結(jié)劑脫除,再經(jīng)燒結(jié),即得密度95%以上之高密度、高強(qiáng)度的產(chǎn)品簡而言之,即以塑料射出的方式去生產(chǎn)金屬制品 。
三、優(yōu)勢
比常規(guī)粉末冶金工藝工序少,無切削或少切削經(jīng)濟(jì)效益高,克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制品、材質(zhì)不均勻、機(jī)械性能低、不易成型薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),特別適合于大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜以及具有特殊要求的金屬零件,MIM金屬粉末顆粒一般在0.5~20μm;理論上,顆粒越細(xì),比表面積也越大,易于成型和燒結(jié)傳統(tǒng)的粉末冶金則采用大于40μm的較粗的粉末,傳統(tǒng)壓鑄成形強(qiáng)度低、精密鑄造無法大量量產(chǎn)、車削件成本較高等技術(shù)缺點(diǎn) 。
四、MIM技術(shù)發(fā)展
MIM技術(shù)發(fā)展已有一段時(shí)間自70年代末由美國開始,日本、德國等國皆先后投入研究八十年代初歐洲國家及日本都投入極大精力開始研究,并得到迅速推廣。特別是八十年代中期由于過去技術(shù)不夠成熟、原料成本過高、生產(chǎn)時(shí)間過長等原因,真正發(fā)展較為進(jìn)步已是近年的事情已開始進(jìn)入商業(yè)量產(chǎn)階段,在粉末冶金產(chǎn)業(yè)中被視為最熱門的金屬零組件成形技術(shù)之一。射出成型最大的優(yōu)勢是可以大量生產(chǎn)復(fù)雜的幾何產(chǎn)品,因各種設(shè)計(jì)需求,生產(chǎn)過程會運(yùn)用到不同的塑料材料。然而,塑料材料無法滿足全部的設(shè)計(jì)需求,舉例來說,塑料就無法完全取代鐵的特性。粉末射出成型(PIM)為一獨(dú)特制程解決方案,因?yàn)槟軡M足形狀復(fù)雜且體積小的金屬/陶瓷精密產(chǎn)品大量生產(chǎn)的需求,目前正快速成長發(fā)展。到二零一二年時(shí),全球粉末射出成型產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值會以每年成長15-20%速度擴(kuò)張到一億五千萬美金,而根據(jù)Global Industry Analysts指出,到二零一七年時(shí),產(chǎn)值會高達(dá)三億七千萬美金。粉末射出成型廣泛應(yīng)用在許多產(chǎn)業(yè)上,其中陶瓷粉末射出成型主要應(yīng)用在美國的醫(yī)藥和醫(yī)療市場;而在亞洲,金屬粉末射出成型則多半應(yīng)用在消費(fèi)性電子產(chǎn)品和信息科技方面。
五、技術(shù)挑戰(zhàn)
一般而言,粉末射出成型制程涵蓋四個(gè)部分:
1) 復(fù)合金屬和陶瓷粉末與高分子混合(又稱結(jié)合劑)來取得致密均勻的成型原料;
2) 成型原料經(jīng)過射出后形成生胚;
3) 去除結(jié)合劑之后,產(chǎn)生棕胚;
4) 燒結(jié)剩下粉末結(jié)構(gòu)至成品雛型。
然而在射出成型階段,均勻的成型原料在注入模穴的過程中,卻充斥著許多亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。經(jīng)燒結(jié)后的成品缺陷往往是始于成型過程,例如:澆口殘痕、頂針痕以及分型線…等等,而這些缺陷很難在脫脂和燒結(jié)過程中去除。成型原料的選擇及模穴充填的粉末密度/濃度分布,更是會間接影響燒結(jié)階段產(chǎn)生收縮情形,進(jìn)而引起表面瑕疵、內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、翹曲以及裂痕等問題。例如:燒結(jié)后易在融合線位置斷裂。
一般MIM制程采用材料:
鐵-鎳-碳合金:Fe-2%Ni,Fe-8%Ni,不銹鋼合金:316L, 304L,630(17-4PH), 440C,420J2, 4140 特殊合金:M2,SKD11,Kovar(F150),Cu,SKH57,軟質(zhì)磁性合金:Permalloy PB,Permalloy PC,18 Si-Fe.
六、材料特點(diǎn)
MIM射料大部分為遵循指數(shù)定律的擬塑性非牛頓流體,由于MIM射料中添加大量的金屬粉末,其熔膠密度相當(dāng)高(約5 g/cm3),比容變化較一般塑料小。此外,MIM射料的熱傳導(dǎo)系數(shù)高,比熱較一般塑料低,于射出時(shí)黏度對溫度的變化會比較敏感 。
Moldflow材料庫含有MIM成型材料示意:
MIM產(chǎn)品的流動(dòng)性模擬與短射實(shí)驗(yàn)比對
流動(dòng)模式驗(yàn)證
1)澆口位置Jetting效果模擬
2)充填10%對比
3)充填30%對比
4)充填50%對比
5)充填70%對比
6)充填90%對比
從Moldflow短射模擬可以看出,分析與實(shí)際流動(dòng)模式能有95%以上的吻合。
七、斷裂改善對策
以上產(chǎn)品在燒結(jié)后易在融合線位置斷裂,對此,我們運(yùn)用Moldflow模擬不同澆口的方案,改善過程如下:
改善方案1:薄膜澆口
● 熔合線移動(dòng)至產(chǎn)品較厚的區(qū)域;
● 模具變更成本高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜;
● 澆口難于移除。
改善方案2:輪輻式澆口
● 熔合線移動(dòng)至產(chǎn)品較厚的區(qū)域;
● 模具變更成本高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜;
● 輪輻式澆口會產(chǎn)生較多條熔合線;
● 澆口難于移除。
改善方案3:側(cè)澆口(2個(gè))
● 模具結(jié)構(gòu)簡單,變更成本較低;
● 生成三條熔合線;
● 澆口易于移除。
改善方案4:側(cè)澆口(2側(cè))
● 熔合線移動(dòng)至產(chǎn)品較厚的區(qū)域;
● 澆口易于移除;
● 產(chǎn)品中央易產(chǎn)生包封。
改善方案5:減少產(chǎn)品壁厚
● 為了避免嚴(yán)重的競流效應(yīng),減少產(chǎn)品中央的肉厚 ( 6.48 mm => 3.8 mm);
● 產(chǎn)品恐在燒結(jié)時(shí)扭曲變型,需準(zhǔn)備相關(guān)治具于燒結(jié)時(shí)固定生胚。
七、總結(jié)
1. 所選擇射料可準(zhǔn)確的預(yù)測熔合線位置與相遇角度;
2. 模具設(shè)計(jì)變更方案建議采側(cè)邊雙澆口#1設(shè)計(jì);
3. 經(jīng)廠商變更澆口位置后,MIM成品燒結(jié)后不再斷裂。
從以上案例可以看出因此在MIM成型前期運(yùn)用Moldflow進(jìn)行預(yù)測成型缺陷,并及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化具有非常重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)意義。
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