Статья про использование 3D-печати в PIM (MIM, CIM) технологических цепочках.
Прошлый раз я писал о встраивании аддитивных технологий в традиционное литье.
Сейчас я расскажу еще об одном варианте встраивания 3D-печати в традиционные технологические цепочки.
Речь пойдет о РIM –Powder Injection Molding – литье под давлением полимерных материалов с мелкодисперсным порошковым наполнителем. В зависимости от наполнителя различают:
MIM - Metal Injection Molding – литье под давлением полимерных материалов с металлическим порошковым наполнителем
CIM – Ceramic Injection Molding – литье под давлением полимерных материалов с керамическим порошковым наполнителем
Схема простая – используется традиционное литье под давлением в термопласт-автомате пластика, только пластик – с большим количеством порошка, металлического или керамического.
Вначале рассмотрим MIM, как более сложны процесс.
MIM – это разновидность порошковой металлургии, при которой деталь формируется из суспензии металлического порошка с термопластичным связующим.
Этапы MIM следующие:
-2. Смесь порошка полимера и наполнителя перемешиваются в специально смесителе доя однородного состояния
-1. Смесь компонентов при помощи специального экструдера гранулируется – получаются гранулы для термопласт-автомата (фидсток)
0. Суспензия нагревается выше температуры плавления термопластичного связующего в шнековом термопласт-автомате (или поршневом – тип термопласт-автомата не важен)
1. Методом литьевого прессования в пресс-форму при помощи шнека (или поршня) (обычно металлическую) изготавливают заготовку. Так называемая «зеленая деталь».
2. Удаление связующего и/или предварительное спекание. Получается промежуточная заготовка – «коричневая деталь».
3. Окончательное спекание. Получается готовая деталь.
Связующее может быть разным, прочность «зеленой детали» зависит от типа связующего – от хрупкой и требующей бережного обращения до достаточно прочной.
В зависимости от типа связующего возможны разновидности техпроцесса:
- связующее выгорает при спекании. Необходима печь с доступом кислорода.
- связующее испарятся в печи. Необходима вакуумная печь для облегчения испарения связующего и удаления паров.
- связующее растворяется в воде, растворе щавелевой кислоты или в растворителе перед спеканием. Необходимо дополнительное оборудования для удаления связующего.
- связующее удаляется при помощи паров азотной кислоты, паров растворителя, в атмосфере аммиака или азота во время или до спекания. Требуется специальное оборудование.
Для удаления связующего выжиганием, в вакууме или в парах используются ретортные печи – современные ретортные печи способны создавать и вакуум и специальные атмосферы при нагреве.
При предварительном удалении связующего или при выжигании связующего могут применяться проходные и камерные печи.
При предварительном спекании происходит небольшая усадка детали. «Коричневая деталь» состоит в основном только из порошка металла, частично спекшегося за счет диффузии, частично удерживаемого силами Ван-дер-Ваальса. «Коричневая деталь» всегда очень хрупкая и требует саомго бережного отношения. Может содержать от 5 до 15% остаточного связующего.
Окончательное спекание производится при температуре, близкой к температуре плавления порошка. В зависимости от материала порошка могут использоваться самые различные печи. При окончательном спекании деталь становится относительно монолитной (до 96% по массе от аналогичной литой детали), усадка может достигать 25% от первоначального размера «зеленой» заготовки. Несмотря на большую усадку, она является вполне предсказуемой и точность готового изделия достигает «плюс-минус» 0,5% от заданного размера. Спекание обычно производится в специальной атмосфере – нейтральной (азот, аргон, углекислый газ), восстановительной (углекислый газ, водород) или в вакууме.
Несмотря на кажущуюся сложность данная технология сейчас активно развивается, и получает все большее распространение.
Технология CIM полностью аналогична MIM, но только несколько проще – при CIM-технологии спекание обычно происходит в один этап (минуя этап "коричневой" детали), с выжиганием связующего при спекании. Само спекание происходит при температуре намного ниже температуры плавления керамики. Спекания по процессу CIM обычно производится в обычно атмосфере.
Теперь посмотрим, как можно применить аддитивные технологии к данному техпроцессу.
Первое, что приходит на ум – это печатать пресс-формы. К сожалению, принтеры, позволяющие печатать металлические формы достаточной прочности и точности – очень дороги, и 3D-печать формы может оказаться намного дороже традиционных методов изготовления.
При использовании литья под низким давлением возможно использование пластмассовых пресс-форм, отпечатанных на фотополимерных принтерах, но из-за абразивности суспензии их ресурс будет минимальным – несколько заливок. Из-за невозможности эффективно охлаждать пластмассовую форму производительность литья под давлением существенно снижается.
Поэтому печать форм для РIM используется крайне редко.
Зато 3D-принтер вполне в состоянии печатать напрямую «зеленые» заготовки для последующего спекания по стандартном PIM-техпроцессу.
«Зеленые» заготовки можно печатать по самым различным технологиям:
- струйное нанесение связующего (BJ)
- фотополимеризация высоковязкой суспензии
- экструзия материала (ME)
- струйное нанесение материала (MJ)
- листовое ламинирование (SL)
Интересно в данном случае то, что «зеленые» детали можно печатать где-нибудь в небольших студиях, а на окончательное спекание передавать предприятиям, имеющим соответствующее оборудование для удаления связующего и спекания.
Подробнее об принтерах, способных печатать «зеленые» заготовки для последующего спекания по технологии MIM я расскажу в следующей публикации.
Следующая статья по теме:
Путеводитель по каналу:
