粉末成形初稿

浅述粉末成形技术及其应用

摘要金属粉末成形是集材料、化工、冶金、机械等一体的高新技术。随着快速原型和快速模具技术的发展,传统的粉末成形方法得到进一步发展的同时, 也出现了新的粉末成形方法。课本中介绍了许多成形方法，尤其是特殊成形，本文着重介绍一种新的成型技术——快速成型；并展望了粉末成形方法的应用前景。

关键词: 粉末成形快速成型应用展望

0引言

金属粉末成形是一种节能、节材、高效、近净成形、少污染的先进制造技术, 在超导材料、纳米材料、生物工程材料、超硬材料等现代高新技术领域中得到广泛的应用，已进入当代材料科学的发展前沿, 并朝着高效自动化、高性能、低成本的方向发展。传统的粉末成形技术的工艺流程是: 制取粉末—混料—制模、压形—烧结—后续处理。工艺复杂, 致密度低, 制件的性能较差。高新技术产业的迅猛发展对粉末成形制件的性能及制造周期提出了更高的要求。如何改进工艺、缩短制造周期及提高制件性能等要求促进了人们对粉末成

形技术的深入研究, 先后出现了一些新工艺、新技术、新动向, 目前粉末成形技术的研究已经取得了很大的进展。本文综述了近年来新发展的粉末成形技术的若干进展。

1金属粉末成形

金属粉末成形是指采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成金属制品或模具的工艺技术。金属粉末成形是集材料、化工、冶金、机械等一体的高新技术。传统上, 比较典型的粉末成形方法有粉末锻造( Pow der Forg ing )、金属粉末注射成形( Metal Injection Moulding,MIM)、等静压成形( Isostatic Pressing )、喷射成形( Sprary Moulding)等工艺方法。快速原型/ 快速模具( RP/ RT )技术是一种基于离散/堆积成型原理的新型数字化成形技术。近几年来,随着快速原型和快速模具技术的飞速发展, 基于快速原型技术或以快速原型为母模, 出现了若干全新的金属粉末成形工艺, 包括:间接金属粉末激光烧结制模成形( RapidToolTM )、直接金属粉末激光烧结成形( Direct Metal Laser Sintering - DMLS, Di rectToolTM) 、LENS( Laser Eng ineered Net Shape) 成形、RPBPS ( Rapid Pat tern Based Pow der Sintering)成形、KeltoolTM法快速制模成形等。

2快速成型

快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。

2.1RP技术的优越性

它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法"到今天的"增长法"，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

RP技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，具有如下特点：

（1）成型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场；

（2）可以制造任意复杂形状的三维实体；

（3）用CAD模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境；

（4）成型过程无需专用夹具、模具、刀具，既节省了费用，又缩短了制作周期。

（5）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。

以上特点决定了RP技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂形状零件的制造，模具与模型设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验和快速反求工程等。

2.2RP系统的基本工作原理

RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是"分层制造、逐层叠加"。这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。

每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。

RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。

2.3RP技术的发展方向

RP技术已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。RP技术在制造工业中应用最多（达到67%），说明RP技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。

目前快速成形技术还存在许多不足，下一步研究开发工作主要在以下几方面：

（1）改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；

（2）开发经济型的快速成形系统；

（3）快速成形方法和工艺的改进和创新；

（4）快速模具制造的应用；

（5）开发性能良好的快速成形材料；

（6）开发快速成形的高性能软件等。

2.4RP技术特点

1 制造快速RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。

2 CAD/CAM技术的集成

设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。