金屬粉末成形技術(shù)在發(fā)展數(shù)千年的歷史之后(最早在古埃及發(fā)現(xiàn)氧化鐵燒制的金屬制品，紀(jì)元前3000年)，但是要談到大量制造還是在19世紀(jì)初的50年代開始，然而愛迪生發(fā)明電燈促使了粉末冶金(Powder Metallurgy, PM)的工業(yè)進步 – 鎢燈絲的制作已經(jīng)是20世紀(jì)之初(1909年)，隨后鐵與銅金屬的粉末壓制與燒結(jié)(Press and sinter)便隨工業(yè)革命的帶動迅速取代傳統(tǒng)金屬加工的方法，尤其是在鑄造和鍛造的齒輪件；在近代約50年前(1960-1970年)，金屬粉末成形技術(shù)迎來了兩個重要的年輕成員，金屬粉末注射成形(Metal – powder Injection Molding)與金屬增材制造(Metal Additive Manufacturing)，更是成為人類有史以來最頂尖的大量金屬零件制造工藝。請隨Dr. Q的隨后說明來了解這三個當(dāng)代主流金屬粉末成形技術(shù)。最重要結(jié)論l金屬粉末成形技術(shù)的核心是粉末科學(xué)，這是重中之重；l粉末壓制與燒結(jié)法(PM)，成形過程的潤滑劑(成形助劑)不超過3wt%，燒結(jié)后零件密度在85-95%相對密度、表面沒有致密層、幾何形狀為2-2.5D的大批量制品，適合單筆訂單大于10萬件的月產(chǎn)能；l傳統(tǒng)壓制成形的粉末硬度低必須具有塑性變形能力，較硬質(zhì)粉末與硬質(zhì)合金的粉末冶金需要的成形助劑含量較高，因此也需要長時間的脫脂；l金屬粉末注射成形(MIM)，因為粉末細小導(dǎo)致黏結(jié)劑(成形助劑>6wt%)較多，燒結(jié)后零件密度大于98%相對度、表面形成致密層、幾何形狀為3D的批量制品，適合單筆訂單大于1萬件的月產(chǎn)能；l金屬增材制造(MAM)，燒結(jié)后零件密度大于98%相對密度、表面沒有致密層、幾何形狀為3D的少量制品，適合1~1000件以內(nèi)的月產(chǎn)能。成形助劑根據(jù)MAM工藝不同而有區(qū)別。1.對于PM/MIM/MAM所使用的粉末可不可以共享？為什么？答：如圖1所表示，三大主流金屬粉末成形技術(shù)使用的粉末粒徑分布，其中PM最粗大、MIM最細小，增材制造則居中(包含圖中的Binder Jet, PBF-LB, PBF-EB, and DED)。
圖1.不同的粉末成形技術(shù)使用不同粒徑分布的金屬材料粉末注意到PM和MIM工藝用的粉末顆粒都和MAM工藝用的有交互重迭，其中MAM說的DED(定向能量沉積)其實就是已經(jīng)習(xí)用的粉末熱噴涂，這種工藝在煉鋼廠早就用來修復(fù)軋鋼的滾軋柱，經(jīng)過調(diào)整修改設(shè)備成為3D打印用的技術(shù)；粗粉的使用可以理解，同樣在細粉使用在增材制造也可以，但是固化3D建模的能量功率要降低，因此采用更低功率的激光和光斑(目前可以使用d50在3-5um的超細粉末，每層打印可以控制在0.01mm)，或改用低溫的噴射粘結(jié)劑，成形後再使用無差別高溫?zé)Y(jié)固化得到最終零件。l生坯中至少的80%(同樣材質(zhì)以重量比即可，不同材質(zhì)的混合粉末必須換算成體積比)粉末粒徑小于30μm以下，同時生坯中的固體粉末堆積率>45vol%(體積分率)，才能夠精準(zhǔn)的以阿基米得原理來推算最終產(chǎn)品的尺寸；l因此PM和MAM的部分技術(shù)是沒有辦法推算其生坯與燒結(jié)坯的尺寸比例關(guān)系；l各種技術(shù)發(fā)展所使用的粉末粒徑有一定的區(qū)隔，無法混合使用；l大于50μm以上的金屬粉末所具有的燒結(jié)驅(qū)動力(Drive force of sintering)大幅降低，無法有效的大范圍燒結(jié)并且融合再一起，這導(dǎo)致尺寸控制的方式不容易推算其數(shù)學(xué)模型，干擾因素太多；lPM的壓制后尺寸和燒結(jié)后的尺寸誤差僅為千分之2(0.2%收縮率)，主要是根據(jù)經(jīng)驗累積；MAM使用熔融法則是精準(zhǔn)地控制激光光斑和熔池，尺寸的誤差約在0.5%；MIM與MAM燒結(jié)法采用MIM粉末制作成喂料，粉末的粒徑(>80%)小于30μm，才能在準(zhǔn)確的預(yù)測燒結(jié)后的產(chǎn)品尺寸。2.請簡單描述PM/MIM/MAM的工藝流程圖，并比較之。答：2.1 PM (Press and Sinter)粉末壓制與燒結(jié)法的流程圖如圖2所表示，主力設(shè)備是僅能進行上下閉合運動的壓機。這是一個近乎標(biāo)準(zhǔn)程序的流程，已經(jīng)有超過百年的歷史，進步模具的設(shè)計和模架機構(gòu)使PM制品越來越精密且復(fù)雜。
圖2.粉末壓制與燒結(jié)法(PM)的工藝流程圖2.2MIM金屬粉末注射成形在1972年MIM工藝發(fā)明至今甫屆滿50周年，這工藝尚未完成標(biāo)準(zhǔn)化但已經(jīng)指日可待。將金屬零件可以被如塑料注射一樣的制作出來，這引起金屬加工與塑料制品業(yè)的不小震驚與騷動!MIM成形的主要設(shè)備就是注射機，并須依靠精密的模具和流動良好的喂料填充得到生坯，最終經(jīng)過脫脂燒結(jié)得到金屬零件。如下圖3所表示。
圖3.金屬粉末注射成形(MIM)的工藝流程圖
2.3MAM以金屬粉末做為增材制造成形的方式目前有許多的方式，如圖4所表示。大致分成三大類，即將金屬粉末直接熔融法制程(Melting process)和燒結(jié)法制程(Sintering process)，這些技術(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不過隨著技術(shù)的演變，也逐漸將材料、設(shè)備與方法清楚分類，并朝著更小的堆積層分辨率邁進，使用較小范圍的激光光斑、低溫成形(噴膠打印)、高溫同步固化，逐漸擴大產(chǎn)品量產(chǎn)的應(yīng)用范圍以及產(chǎn)出效率的提升，或是朝更高分辨率前進。
圖4.金屬增材制造(MAM)的工藝流程圖3.請以材料、能量消耗和零件性能描述PM/MIM/MAM的工藝差異性答：lPM的粉末在沒有經(jīng)過燒結(jié)的再回利用是可以的，但因為壓制后的粉末變形度不同，主要是粉末在膜腔內(nèi)堆積與壓制作用力導(dǎo)致殼層效應(yīng)(外殼密度高、芯部密度低)，只能降級使用而無法再度混合于同級正式量產(chǎn)品的生產(chǎn)上；lMIM的喂料在多次使用會分解并降低流動性，但可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整補救，只要不經(jīng)過燒結(jié)，即便是脫脂后的棕坯(生坯經(jīng)過脫脂)仍可以破碎回收再制，但生坯(僅注射后)、棕坯需要區(qū)分開進行回收，要建立嚴(yán)格的回收喂料機制；lMAM的粉末或是喂料是有區(qū)分的，熔融法的激光由于光斑能量密度高，不論是燒結(jié)還是熔融的過程會有少量跳火、小顆粒粉末局部團聚的現(xiàn)象，要重復(fù)使用時必須先篩濾過團聚的粉末，并且使用一定比例的新舊粉混合；間接燒結(jié)法使用粘結(jié)劑沾粘，一樣會造成粉末團聚現(xiàn)象，重復(fù)使用也必須要過濾；另外使用MIM喂料絲打印后尚未燒結(jié)前的生坯或是脫脂后坯，都不宜回收使用，主要是重制絲材的技術(shù)和設(shè)備并不普及，建議報廢或是集中數(shù)量販賣給MIM喂料制造商回收。4.PM/MIMMAM的產(chǎn)品特征差異處在哪？答：4.1 PM製品如圖5所展示的PM製品，產(chǎn)品的維度大多是2D，只有少部分斜面或非上下方向特徵可以借助模具的設(shè)計與後加工輔助完成2.5-3D造型。
5. 每件產(chǎn)品的重量都超過100g以上的不同PM制品展示，：(a)VVT(可變氣門正時）轉(zhuǎn)子/鏈輪；(b)鋁合金鏈輪；(c)軟磁定子；(d)橡膠包覆進/排氣凸輪軸定子鏈輪(本零件榮獲世界PM2018產(chǎn)品獎)；(e)密度≥7.53 g/cm3的打擊塊(本零件榮獲世界PM2018產(chǎn)品獎)，所有照片均由寧波東睦集團NBTM提供。4.2 MIM製品MIM制品如圖6所表示，都是一些形狀復(fù)雜的零件且產(chǎn)品重量沒有超過50g，大部分都低于10g甚至有0.5g的小產(chǎn)品。 圖6.
MIM制品的樣品展示(Dr. Q的MIM樣品盒)4.3 MAM制品圖7為MAM的最新微米級3D打印(資料提供系由江蘇云耀深維科技有限公司www.aixway3d.cn)，這是地表上最精細的SLM打印制品以及工藝。其他大型件我們就省略不談，增材制造的制程能力已經(jīng)迅速追趕PM/MIM並大幅度的超越(只需要一部打印機便可以取代亢長的製造程序)。
圖7.MAM的最新微米級3D打印5. PM/MIM/MAM工藝的產(chǎn)出能力答：如圖8非常淺顯易懂的表示三個工藝的產(chǎn)出能力特色。PM僅能制作中度復(fù)雜特征，但能制作大件/量大的訂單；MIM可以制作復(fù)雜特征產(chǎn)能很大，但是重量不大；MAM則是數(shù)量不多，但制品的重量和復(fù)雜度都沒有限制。特別是MIM原本僅是取代精密鑄造(Investment casting, 又稱熔模鑄造、失蠟鑄造或脫蠟鑄造)，但是逐漸有侵入老大哥PM的領(lǐng)域，未來會更加大零件重量與尺寸的制造能力。
圖8.三大粉末成形技術(shù)的產(chǎn)出能力表示圖6.什么是d50(粉末平均粒徑的中值)？答：請見下圖9所表示，這是常見的激光粒度儀檢驗后的綜合數(shù)據(jù)、表格與圖形。這圖是非常重要的粉末性能報告，一定要了解之中的含意。
圖9.粉末激光粒度分析儀檢驗后所獲的圖表lDXX(亦有小寫dxx)指的是平均粒徑的累積數(shù)值，其中XX是由0~100之間的數(shù)字，表示本批測量粉末顆粒數(shù)總量數(shù)字，當(dāng)粉末體是均質(zhì)物質(zhì)可以是重量比也可以理解為顆粒個數(shù)比，使用的是以含量%表示(藍色曲線)。lD10通常是累積到10%，D50到50%，以此類推。自然狀態(tài)下粉末的顆粒總數(shù)會行成高斯分布狀態(tài)(紅色曲線)，易即趨于中間值最多。l因此有四個重要的數(shù)值必須觀察：nD10 -這是可以作為最小粉末平均粒徑的依據(jù)，通常小于D10以下的粉末顆粒都很細微，不過D10不能太小，過多細小的顆粒會導(dǎo)致制程中設(shè)備的高度摩擦，并使喂料容易摩擦熱裂解；nD50-粉末平均粒徑中值是整批粉末的代表數(shù)值，這是整批粉末中顆粒最多的范圍聚集后平均數(shù)，購買粉末與數(shù)學(xué)運算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；nD90-這是較大粉末平均粒徑的代表，由此開始必須控制D90-D100粉末數(shù)量的百分比nD97-這是最大粉末粒徑的限制條件，也有部分儀器是表示D99或D100，大顆粒粉末數(shù)量過多會造成產(chǎn)品質(zhì)量的干擾，隨后將說明。l比表面積可以代表受測粉末的整體性質(zhì)，此數(shù)字月大代表粉末D50越朝細小前進，小的粉末有比較大的數(shù)量並造成比表面積增大，因此會導(dǎo)致成形過程的阻力(模具、工具與治具的磨損，送料困難)l跨度，粉末跨度越大，會導(dǎo)致產(chǎn)品的孔隙度的增加與表面缺陷，主要在於大顆粒與小顆粒在燒結(jié)驅(qū)動力的差異，較小粉末團聚很快緻密，但位於較小粉末堆中的大顆粒難以燒結(jié)收縮，缺陷便產(chǎn)生如圖10所表示。
圖10.粉末顆粒過大造成產(chǎn)品的表面與內(nèi)部孔隙7.對于PM/MIM/MAM工藝的綜合差異分析答：雖然在前面已經(jīng)有所描述，但仍將各項比較參數(shù)整理放置于表2所示。由于MAM是區(qū)分為兩大類別，熔融法比較偏向PM使用較大顆粒粉末，而燒結(jié)法則是使用與MIM相近的顆粒粉末，近年來MAM技術(shù)的發(fā)展到極小(可以接打印心臟血管用記憶合金支架，直徑約0.1mm中空特征，德國技術(shù))，到直接打飛機的尾翼與翅膀的大形結(jié)構(gòu)(超過百公斤，大陸開發(fā)的指向性激光打印設(shè)備)，都已經(jīng)超過PM/MIM的尺寸與重量限制(上下限)，同時還做到模造技術(shù)無法成型的網(wǎng)格或是晶格結(jié)構(gòu)(統(tǒng)稱拓樸結(jié)構(gòu))，請讀者注意。表2. PM/MIM/MAM工藝的差異性
| 制程 | PM | MIM | MAM |
| 零件幾何造型 | 2~2.5D | 3D | 3D |
| 特征細節(jié)表現(xiàn) | 0.5mm | 0.01mm=10um | 0.05mm/層(最小) |
| 最薄厚度特征 | >1mm | >0.08mm | >0.1mm |
| 中空結(jié)構(gòu) | 不可 | 可 | 可 |
| 表面致密層 | 無 | 有(0.01-0.1mm) | 無 |
| 格子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) | 無法 | 極難 | 可 |
| 零件的尺寸公差 | +/-0.1% | +/-0.3% | +/- 0.3% |
| 黏結(jié)劑/成形助劑(wt%) | <5% | 6-20% | <5% |
| 粉末粒度(Mesh #, μm)* | -100#, +300#75-150μm | -500#0.5-30μm | -100#, +300#(PBF-EB)-400#, +500# 15-53μm (PBF-LB)-500#, <30μm (燒結(jié)法) |
| 粉末篩分 | 篩網(wǎng) | 篩網(wǎng)與氣流篩 | 篩網(wǎng) |
| 粉末粒度質(zhì)量檢驗 | 篩網(wǎng)+激光粒度分析 | 激光粒度分析 | 篩網(wǎng)+光粒度分析 |
| 粉末形狀檢驗 | 光學(xué)顯微鏡(OM) | 電子顯微鏡(SEM) | 電子顯微鏡(SEM) |
| 粉末流速檢驗 | 霍爾流速計與安息角測試 | MFI熔指儀測試喂料 | 霍爾流速計與安息角測試 |
| 粉末圓球度 | 0.4~0.6 | >0.65 | >0.85 |
| 成形時粉末移動距離 | 1-50mm不等 | >500mm | 鋪粉后幾乎不動 |
| 燒結(jié)坯相對密度 | 75~80% 使用粉末而定 | >98% 通用 | >98% DLM可近100% |
| 代表金屬材料 | 鐵、銅為主的合金鎢重合金、不銹鋼 | 鐵系,不銹鋼,鈦,銅,鈷,鎢,鎳等系列合金 | 不銹鋼,鈦,鈷合金種類少 |
| 生產(chǎn)效率 | 高/極高 | 高/極高 | 慢 |
| 產(chǎn)品重量 | 5~50,000g | 0.001~5,000g | 0.5~100,000g |
| 設(shè)備主力 | 壓機/模架/模具 | 注射機/模具 | 各式打印機 |
| 制程 | PM | MIM | MAM |
| 零件幾何造型 | 2~2.5D | 3D | 3D |
| 特征細節(jié)表現(xiàn) | 0.5mm | 0.01mm=10um | 0.05mm/層(最小) |
| 最薄厚度特征 | >1mm | >0.08mm | >0.1mm |
| 中空結(jié)構(gòu) | 不可 | 可 | 可 |
| 表面致密層 | 無 | 有(0.01-0.1mm) | 無 |
| 格子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) | 無法 | 極難 | 可 |
| 零件的尺寸公差 | +/-0.1% | +/-0.3% | +/- 0.3% |
| 黏結(jié)劑/成形助劑(wt%) | <5% | 6-20% | <5% |
| 粉末粒度(Mesh #, μm)* | -100#, +300#75-150μm | -500#0.5-30μm | -100#, +300#(PBF-EB)-400#, +500# 15-53μm (PBF-LB)-500#, <30μm (燒結(jié)法) |
| 粉末篩分 | 篩網(wǎng) | 篩網(wǎng)與氣流篩 | 篩網(wǎng) |
| 粉末粒度質(zhì)量檢驗 | 篩網(wǎng)+激光粒度分析 | 激光粒度分析 | 篩網(wǎng)+光粒度分析 |
| 粉末形狀檢驗 | 光學(xué)顯微鏡(OM) | 電子顯微鏡(SEM) | 電子顯微鏡(SEM) |
| 粉末流速檢驗 | 霍爾流速計與安息角測試 | MFI熔指儀測試喂料 | 霍爾流速計與安息角測試 |
| 粉末圓球度 | 0.4~0.6 | >0.65 | >0.85 |
| 成形時粉末移動距離 | 1-50mm不等 | >500mm | 鋪粉后幾乎不動 |
| 燒結(jié)坯相對密度 | 75~80% 使用粉末而定 | >98% 通用 | >98% DLM可近100% |
| 代表金屬材料 | 鐵、銅為主的合金鎢重合金、不銹鋼 | 鐵系,不銹鋼,鈦,銅,鈷,鎢,鎳等系列合金 | 不銹鋼,鈦,鈷合金種類少 |
| 生產(chǎn)效率 | 高/極高 | 高/極高 | 慢 |
| 產(chǎn)品重量 | 5~50,000g | 0.001~5,000g | 0.5~100,000g |
| 設(shè)備主力 | 壓機/模架/模具 | 注射機/模具 | 各式打印機 |
8.PM/MIM主力設(shè)備比較答：PM/MIM的工藝流程在前都已經(jīng)敘述，重點的比較將放在設(shè)備對于原料制備、生坯成形、熱程序三大部分來做比較，讀者可以知道兩個制程的差異。l原料制備n粉末的制程不同。PM粉末大多使用還原法與水霧化法，具有比較大且表面不規(guī)則、粗糙的特性，需要的在于粉末有塑性變形能力以使壓制過程能夠互相產(chǎn)生機械冶金，其中海綿狀金屬是還原后的材料主要形狀，必須經(jīng)過破碎研磨過程，水霧化則是使用中壓水、大的噴嘴將材料噴出成粉；MIM的主流粉末獲得已經(jīng)是采用氣霧化法(Gas atomization)改良成為氣水聯(lián)合霧化法(Gas with water atomization)，利用高壓力的水、較小的噴嘴(孔直徑>3mm)幫助氣霧化粉快速冷卻并將粉末破碎的更細小；n硬質(zhì)合金都是利用還原法獲得后再進行研磨細化，不論PM/MIM都一樣；n羰基法則僅用在鐵、鎳的高純粉末之獲得；鈦合金與高活性合金的MIM粉末就必須采用氣體保護的方式；n粉末與成形助劑的混合。PM大多產(chǎn)用簡單的滾筒混合，大多采用干式混合，除了硬質(zhì)合金以溶劑采用濕法混合；MIM就分為水基(金屬較不采用水以免生銹)、蠟基、塑基三種聚合物的添加來制作注射用的喂料，因此MIM原料制配設(shè)備遠高于PM的設(shè)備，產(chǎn)出效率也比較低。l生坯成形nPM使用立式壓機根據(jù)產(chǎn)品尺寸大小，搭配模具和模座的設(shè)計甚至需要高度高于5米以上，主要在制品的階段多層(模具根據(jù)需要分為多段上下，上沖頭目前最多3段、下沖頭最多5段)設(shè)計，并可能利用側(cè)向氣缸來協(xié)助額外的產(chǎn)品特征需求，主要還是PM的工藝粉末流動性無法如液體傳送均勻的壓力；MIM的喂料因為加熱后產(chǎn)生液化，因此可以均勻的傳送成形壓力使產(chǎn)品密度均勻。nPM的壓機設(shè)備價格不比MIM注射機便宜，在設(shè)備選型上更為復(fù)雜；n因此PM著重在模架與模具的搭配，比起MIM直接采用塑料用的模具較為復(fù)雜；l熱程序 – 第一步與第二步脫脂nPM的粉末粒徑大導(dǎo)致孔隙大，加上成形助劑占比很小，因此不需要脫脂(或稱排膠)；n硬質(zhì)合金就必須如MIM的方式緩慢的在低溫(>600℃)以每分鐘0.5-1℃、并分段保溫緩慢的脫脂；nMIM目前采用二步式脫脂，根據(jù)黏結(jié)劑的不同，第一步脫脂對于蠟基料首先要進行溶劑脫脂(低于60℃的溶劑中浸泡)，而塑基料則進行酸催化脫脂(90-140℃)，然后脫除剩余高溫骨架劑則在真空燒結(jié)爐或是正壓爐(連續(xù)式或批次式)進行第二步熱脫脂到600℃才完全到脫除黏結(jié)劑并保持產(chǎn)品幾何特征的對稱性；l熱程序 – 燒結(jié)nPM大多不使用批次爐不代表不可用，主要PM制品重量大、數(shù)量龐大，需要較為經(jīng)濟型的燒結(jié)方式，網(wǎng)帶爐、推舟爐為主要，溫度并高于1200℃為主。燒結(jié)爐的保護氣大多以氨(NH3)分解得到氮氣與氫氣；n硬質(zhì)合金大多使用石墨真空爐，燒結(jié)溫度要大于1500℃，氣體使用氮氣與真空不用氣體；nMIM分為兩大爐型，批次型的石墨或金屬熱場真空脫脂燒結(jié)爐以及連續(xù)型的陶瓷熱場步進梁(Walking beam)連續(xù)爐，燒結(jié)溫度在1250-1400℃之間，石墨熱場爐使用氬氣與氮氣兩種、金屬熱場爐與步進梁連續(xù)爐均使用氫氣與氬氣與氮氣三種氣體。
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