粉末成型技術(shù)創(chuàng)新及其發(fā)展現(xiàn)狀

作為一種制造機(jī)械零件的特殊方法，粉末成型技術(shù)近年來(lái)取得了驚人的發(fā)展，在工業(yè)界占據(jù)了較為重要和堅(jiān)實(shí)的地位。這一技術(shù)，能大量生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，減少后續(xù)加工，較大程度上節(jié)省了工時(shí)、降低了成本。

隨著我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展，對(duì)粉末成型制品的需求量越來(lái)越大，質(zhì)量要求也越來(lái)越高。目前，制約粉末成型工業(yè)發(fā)展的兩個(gè)主要因素是粉末材料和粉末成型的專用壓制設(shè)備。近年來(lái)，由于高強(qiáng)度、高精度、形狀復(fù)雜零件在粉末成型零件中所占比重越來(lái)越大，并將逐漸占主導(dǎo)地位，對(duì)粉末成型壓機(jī)的性能和壓制精度也提出了更高的要求。隨著粉末成型技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)的需求。多臺(tái)面的復(fù)雜零件在粉末成型零件生產(chǎn)中所占比重逐漸增大。粉末壓機(jī)在生產(chǎn)的過(guò)程中，壓制設(shè)備對(duì)粉末壓制零件最終的成型精度起著至關(guān)重要的作用，粉末壓制技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前國(guó)外粉末壓機(jī)多采用模架系列壓機(jī)和多功能壓機(jī)，可一次壓制形狀復(fù)雜的多臺(tái)面零件。但在國(guó)內(nèi)，粉末壓機(jī)還處于發(fā)展階段，產(chǎn)品整體質(zhì)量還不是很高，主要是致密性和精度較低。

粉末成型技術(shù)原理

粉末成型技術(shù)是一種借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或用實(shí)體反求方法采集到有關(guān)信息或零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的信息，建立數(shù)字化描述模型，之后將這些信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成系統(tǒng)，通過(guò)逐點(diǎn)逐面進(jìn)行材料的三維堆砌成型，再經(jīng)過(guò)必要的處理，使其在外觀、強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，快速準(zhǔn)確地制造原型或?qū)嶋H零件或部件的現(xiàn)代化方法。目前，快速原型制造技術(shù)的原理都是采用分層疊加法，即用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD-Computer Aided Design)造型生成標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（STL Standard Template Library）文件及分層切片等步驟進(jìn)行分層處理，借助計(jì)算機(jī)控制的成型機(jī)完成材料的形體制造，流程圖如圖1。

粉末成型技術(shù)主要應(yīng)用

目前，快速原型制造技術(shù)在模具、家用電器、汽車、航空航天、軍事裝備、材料工程、玩具、輕工產(chǎn)品、工業(yè)造型、建筑模型、醫(yī)療器具、人體器官模型、生物材料組織、考古、電影制作等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，按快速原型制造技術(shù)的產(chǎn)品功能，其應(yīng)用可以分為原型、模具、模型、零部件等。其主要應(yīng)用為：(l)原型制造；(2)模型、零件的觀感評(píng)價(jià)；(3)裝配校核；(4)性能和功能測(cè)試；(5)制造快速模具。

粉末成型技術(shù)工藝

溫壓技術(shù)是美國(guó)Hoeganaes公司在20世紀(jì)90年代研發(fā)的一種新型的粉末冶金成型技術(shù)。該工藝通過(guò)一次壓制便可生產(chǎn)出高密度、高強(qiáng)度和低成本的粉末冶金零件，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。溫壓技術(shù)的原理是將加有特殊潤(rùn)滑劑的預(yù)制金屬粉末和模具等加熱至130～150℃，并將溫度波動(dòng)控制在±2.5℃以內(nèi)，然后進(jìn)行壓制、燒結(jié)而制得金屬粉末冶金結(jié)構(gòu)零件，目前此工藝成為常規(guī)的粉末成型技術(shù)。

圖1 粉末成型技術(shù)原理流程圖

動(dòng)力磁性壓制成型技術(shù)是將粉末裝于一個(gè)導(dǎo)電的容器內(nèi)，置于高強(qiáng)磁場(chǎng)線圈的中心腔。電容器放電，在數(shù)微秒內(nèi)對(duì)線圈通入高脈沖電流，線圈腔中形成磁場(chǎng)，護(hù)套內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與施加磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生由外向內(nèi)壓縮護(hù)套的磁力，因而粉末受到二維壓制。動(dòng)磁壓制技術(shù)雖然也是二維壓制工藝，但與傳統(tǒng)的粉末成型壓制工藝不同，通過(guò)技術(shù)矛盾及創(chuàng)新方法原理，動(dòng)磁壓制技術(shù)是徑向由外向內(nèi)的壓制，而不是軸向壓制。整個(gè)壓制過(guò)程所用時(shí)間不足1毫秒，生產(chǎn)效率高、壓件性能好。動(dòng)磁壓制的研究主要集中在美、日兩國(guó)，目前新的工藝和方法還在不斷涌現(xiàn)。

多場(chǎng)耦合粉末成型固結(jié)技術(shù)即在外加強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等多個(gè)場(chǎng)疊加作用下，與傳統(tǒng)粉末成型和燒結(jié)方法所固有的內(nèi)場(chǎng)耦合，進(jìn)行成型與燒結(jié)，或者在多場(chǎng)耦合作用下，采用非傳統(tǒng)的方法對(duì)粉末進(jìn)行成型與燒結(jié)，用于制造現(xiàn)有技術(shù)難制備的粉末成型零件，或提高零件的性能。人們通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新方法，如物場(chǎng)分析法、物理矛盾矩陣等原理，使得該技術(shù)集粉末成型與燒結(jié)于一體，可大幅度提升粉末成型行業(yè)的技術(shù)水平及生產(chǎn)效率，生產(chǎn)出高性能、高可靠性和壽命長(zhǎng)的精密零件。

立體光刻成型技術(shù)是利用物場(chǎng)相混作用創(chuàng)新原理，通過(guò)激光器發(fā)射高能紫外線光束，光束從底部向上逐層掃描感光凝固環(huán)氧樹脂，當(dāng)激光的能量超過(guò)一定值后，液態(tài)環(huán)氧樹脂便聚合凝固層固化完畢后，工作臺(tái)向下移動(dòng)，在剛固化的樹脂表面涂敷一層新的液態(tài)樹脂，循環(huán)上述過(guò)程直至最后一層形成,是目前較為先進(jìn)的一種粉末成型技術(shù)。

選區(qū)激光燒結(jié)成型。在創(chuàng)新方法中，有一種創(chuàng)新原理是通過(guò)對(duì)技術(shù)矛盾的選取，找到一對(duì)惡化和改善的參數(shù)，通過(guò)矛盾矩陣提供的方法進(jìn)行產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)，選區(qū)激光燒結(jié)成型通過(guò)這種創(chuàng)新方法，用紅外線激光熔化粉末狀材料來(lái)形成三維物體。粉末材料可以是塑料、陶瓷、金屬或它們復(fù)合物。在加工區(qū)域內(nèi)用一滾筒均勻地鋪上一層熱塑性粉末材料，用激光在粉末表面繪出所需加工物體的截面形狀，利用激光熱量使粉末狀材料熔化并在接觸點(diǎn)處與舊層黏結(jié)，逐層進(jìn)行。該方法可以直接制作產(chǎn)品原型、精鑄蠟?zāi)！?shí)型鑄造等。

疊層實(shí)體成型技術(shù)是將預(yù)先制作好的有一定厚度的材料層通過(guò)熱黏結(jié)一層一層地黏結(jié)在一起成為一個(gè)方塊。在各層被覆蓋前用計(jì)算機(jī)控制的CO2激光束切割出實(shí)體的輪廓。為了便于清除余料，實(shí)體輪廓外的部分也用激光束切割離散成小塊。所有疊層形成后原型就埋在材料方塊中，除去的余料后即可得到要制作的原型。該方法制作的原型無(wú)內(nèi)應(yīng)力、無(wú)變形，精度高成型速度快的優(yōu)點(diǎn)，利用知識(shí)庫(kù)查詢的方式，對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行總結(jié)歸納，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，得到了工藝可行的制備技術(shù)。

熔融沉積法利用熱塑性纖維狀材料，材料熔化后從傳送頭出來(lái)逐層地在底座上沉積。這種層疊技術(shù)依賴于成型材料的快速固化性能，熔融態(tài)的熱塑性材料快速沉積成薄層，從底座上開始逐層從模型底部向上進(jìn)行，直到頂部完整的模型生成為止，在此過(guò)程中，通過(guò)沖突矩陣創(chuàng)新原理，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算及數(shù)據(jù)整合，得到最優(yōu)條件下的工藝參數(shù)。

三維噴涂黏結(jié)類似于噴墨打印機(jī)，是利用類比的創(chuàng)新原理得到啟發(fā)而發(fā)明的一種新式粉末成型設(shè)備，首先在基體上鋪粉或鋪基底薄層，利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)黏結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層或薄層上特定區(qū)，逐層黏結(jié)后去除多余底料便得到所需制件，也可以直接逐層噴涂陶瓷或其他材料粉漿，硬化后得到所需形狀的制件。

焊接成型采用現(xiàn)有的各種成熟的焊接技術(shù)、焊接設(shè)備及工藝方法，用逐層堆焊的方法制造出全部由焊縫金屬組成的零件，也稱熔化成型或全焊縫金屬零件制造技術(shù)，也是通過(guò)堆積創(chuàng)新方法得到的新工藝。

放電等離子燒結(jié)技術(shù)早在1930年美國(guó)科學(xué)家就提出脈沖電流燒結(jié)原理，但是直到1965年，放電等離子燒結(jié)技術(shù)才在美、日等國(guó)得到應(yīng)用，該技術(shù)的推廣應(yīng)用則是從20世紀(jì)80年代末期日本研制出第一臺(tái)放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS）設(shè)備開始的。目前，利用創(chuàng)新方法中的S曲線進(jìn)化原理，找到產(chǎn)品的發(fā)展路線，如產(chǎn)品的壽命周期為嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期等具體的位置，再通過(guò)對(duì)燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行改造，得到適應(yīng)于當(dāng)下產(chǎn)品所需的設(shè)備及儀器。對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改造后，放電等離子燒結(jié)給一個(gè)承壓導(dǎo)電模具加上可控脈沖電流，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖直流電的大小控制升溫速度和燒結(jié)溫度。SPS裝置主要包括:軸向壓力裝置、水冷沖頭電極、真空腔體、氣氛控制、直流脈沖電源及冷卻水、位移測(cè)量和安全等控制單元。

結(jié)語(yǔ)

粉末成型技術(shù)是一種重要的技術(shù)。粉末成型新技術(shù)、新工藝的不斷創(chuàng)新，必將促進(jìn)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也必將給材料和制造技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)新的契機(jī)。目前，我國(guó)粉末成型行業(yè)整體技術(shù)水平低下、工藝裝備落后，創(chuàng)新能力不足，與國(guó)外相比存在較大差距。因此，大力發(fā)展粉末成型新技術(shù)的研究，利用好目前較為成熟的創(chuàng)新方法及創(chuàng)新原理，如TRIZ創(chuàng)新工具、CAI/Pro/Innovator創(chuàng)新平臺(tái)等，對(duì)提高我國(guó)粉末成型產(chǎn)品的檔次和技術(shù)水平，縮短與國(guó)外先進(jìn)水平的差距具有非常重要的意義。