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粉末擠出3D打印與傳統(tǒng)粉末注射成形工藝的異同

升華三維 2024-09-25 | 閱讀：683

傳統(tǒng)粉末注射成形工藝概述及特點(diǎn)粉末注射成形（Powder Injection Molding, PIM）是一種將傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)與現(xiàn)代塑料注射成形工藝相結(jié)合的零部件成形技術(shù)。該技術(shù)是將粉末與粘結(jié)劑混合后注射到模具中形成零件的凈成形工藝，可最大限度地減少機(jī)加工量和節(jié)省原材料，解決了復(fù)雜形狀制品成形難的問題。

根據(jù)材料適應(yīng)性，PIM主要可分為金屬注射成型（MIM）和陶瓷注射成型（CIM）兩大工藝體系。適用大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸精確的金屬/陶瓷零件。廣泛應(yīng)用于電子信息工程、生物醫(yī)療器械、汽車、機(jī)械、五金、體育器械、鐘表業(yè)、國防工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域。

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△PIM主要工藝流程（來源網(wǎng)絡(luò)）

粉末注射成形工藝主要特點(diǎn)：

設(shè)計靈活性：PIM技術(shù)可以制造出形狀復(fù)雜、尺寸精確的零件；
高效率：適合大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高；
材料利用率高：接近凈成形制造，材料浪費(fèi)少；
材料范圍廣泛：可用于多種金屬和陶瓷材料的成形。

△MIM工藝制備的金屬產(chǎn)品（來源網(wǎng)絡(luò)）

粉末擠出打印技術(shù)原理及特點(diǎn)

粉末擠出打?。≒owder Extrusion printing，PEP）技術(shù)是由升華三維推出的一種3D打印與PIM工藝相結(jié)合的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)。該技術(shù)既充分體現(xiàn)了3D打印技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化、輕量化等技術(shù)特點(diǎn)，又能發(fā)揮PIM工藝可加工材料廣泛，加工成本低，工藝成熟等優(yōu)勢。能夠同時滿足材料開發(fā)、產(chǎn)品原型研發(fā)與批量生產(chǎn)的需求。以數(shù)字化技術(shù)賦能PIM技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)傳統(tǒng)粉末冶金工藝的再創(chuàng)新。

采用了3D打印與PIM相結(jié)合的工藝，可實現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)的高自由度設(shè)計，且無需模具，可降低開發(fā)和生產(chǎn)成本；具有低溫成型、高溫成性的特性，可獲得性能一致且致密的優(yōu)良產(chǎn)品，適合大尺寸金屬/陶瓷零件的制造；
實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法達(dá)到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件制造，可大幅減少制造工序并縮短加工周期，從而大大加快產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時間；
打印設(shè)備結(jié)構(gòu)原理簡單，不需要昂貴的高能量激光設(shè)備，整體工藝可充分利用粉末冶金的前后處理設(shè)備，極大地減少了投入成本；
設(shè)備維護(hù)方便，采用顆粒材料，且打印材料可循環(huán)使用，可有效降低運(yùn)營成本；

▲升華三維打印金屬/陶瓷樣品

PEP與粉末注射成形工藝的異同

PEP工藝是基于粉末注射成形的新型3D打印技術(shù)，可同時用于制造具有復(fù)雜幾何、中空、輕量化等結(jié)構(gòu)的金屬/陶瓷部件。本文主要以蠟基粘結(jié)劑體系的金屬注射成型（MIM）和陶瓷注射成型（CIM）這兩大PIM工藝與PEP作對比，探討三者之間的異同點(diǎn)，亟待促進(jìn)材料科學(xué)與增材制造工藝在粉末冶金領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

▲蠟基粘結(jié)劑體系的CIM、MIM、PEP工藝對比

以下是CIM、MIM、PEP的異同點(diǎn)：

相同點(diǎn)

粉末基材料：這三種技術(shù)都使用金屬或陶瓷粉末作為原材料，通過特定的成型工藝制造出零件或產(chǎn)品；
成型過程：它們都涉及將粉末與粘結(jié)劑混合，然后通過成型工藝制造出近凈尺寸的零件；
復(fù)雜零件制造：三者都適用于制備復(fù)雜形狀的零件；
后處理：成型后的零件都需要經(jīng)過燒結(jié)或熱處理過程，以提高密度和機(jī)械性能。

不同點(diǎn)

材料類型：CIM適用陶瓷粉體，MIM適用金屬粉體，PEP則金屬粉體及陶瓷粉體都適用；
粉體要求：粉末擠出3D打印與傳統(tǒng)粉末注射成形工藝對粉體要求及制備出的成品精度等存在一定差異；
粘結(jié)劑體系：CIM較多使用蠟基粘結(jié)劑體系，MIM更多使用塑基或者蠟基粘結(jié)劑體系，PEP可采用水基、塑基、蠟基，更多蠟基粘結(jié)劑體系；

▲蠟基粘結(jié)劑體系的CIM、MIM、PEP工藝異同點(diǎn)

成型方式：CIM和MIM需要使用模具，而PEP技術(shù)是采用逐層疊加3D打印成形方式，無需使用模具；
應(yīng)用領(lǐng)域：PEP適用于制備傳統(tǒng)工藝或常規(guī)增材技術(shù)無法制造的高性能部件，如難熔金屬、硬質(zhì)合金、先進(jìn)陶瓷等，主要應(yīng)用于核工業(yè)、國防工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。CIM常用于制造精密陶瓷零件，如電子器件、醫(yī)療設(shè)備等。MIM可廣泛應(yīng)用于制造小型、復(fù)雜形狀的金屬零件，如汽車零件、手表零件等。
成本和效率：PEP在大尺寸或形狀復(fù)雜金屬/陶瓷部件的開發(fā)、小批量生產(chǎn)時，更具成本效益。CIM適合大批量生產(chǎn)小型、精密的陶瓷部件。MIM適合大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜形狀的金屬部件，且成本相對較低。

PEP工藝應(yīng)用優(yōu)勢及發(fā)展前景

PEP作為注射成形工藝進(jìn)化而來的一種創(chuàng)新增材制造技術(shù)，兼具著3D打印與粉末冶金的雙重優(yōu)點(diǎn)，能夠制造出傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)，為設(shè)計師提供了更大的設(shè)計自由度。升華三維已自主開發(fā)了鎢及鎢合金、純銅、不銹鋼等金屬材料；碳化物、氮化物、氧化物、超導(dǎo)及超高溫等陶瓷材料；硬質(zhì)合金等金屬陶瓷材料。已建成了完整的間接3D打印前后處理工藝流程，涵蓋了材料開發(fā)、密煉造粒機(jī)、3D打印機(jī)、脫脂燒結(jié)爐等全工藝鏈設(shè)備。

▲升華三維PEP工藝設(shè)備及打印材料

PEP技術(shù)市場潛力巨大，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色制造技術(shù)，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染。其借助數(shù)字化賦能粉末冶金行業(yè)，為傳統(tǒng)制造轉(zhuǎn)型升級提供支持。隨著PEP技術(shù)的不斷發(fā)展，有望與智能制造系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)自動化、數(shù)字化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。升華三維將持續(xù)開拓創(chuàng)新，發(fā)揮PEP獨(dú)特的工藝優(yōu)勢，在科研教育、工業(yè)制造、航天航空、國防、生物醫(yī)療、汽車、模具制造、新能源等應(yīng)用行業(yè)進(jìn)一步滲透。為傳統(tǒng)制造往未來制造發(fā)展的道路上，提供高性能金屬/陶瓷間接3D打印整體解決方案。