金屬粉末
關注創建者：suojianyingmin 創建時間：2021-03-31
金屬粉末的視頻教程
基于MSC.marc的粉末冷壓縮與熱等靜壓成形
基于MSC.marc的粉末等靜壓有限元模擬 粉末冶金是使用金屬粉末，或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作為原料，經過壓制成形和燒結，制造各種類型產品的工藝過程。 粉末壓制工藝過程通常會采用MSC.Marc軟件進行分析，采用粉末體本構方程----Shima-Oyane屈服函數----分析粉末金屬流動規律和相對密度分布規律。
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金屬粉末的實例教程
在當前3D打印產業當中，金屬3D打印占據了相當大一部分比例，而且隨著金屬3D打印技術的日益成熟和成本大幅下降，其應用范圍、深度和規模都在不斷突破。比如在航空航天領域，金屬3D打印已經從制造測試樣件進入到批量生產的階段；在齒科領域，3D打印金屬牙冠也成為牙齒技工所的常規手段；在骨科領域，3D打印金屬植入體開始規模化使用；在模具、散熱器等領域正在替代傳統工藝；在汽車領域還有巨大的應用潛力等待挖掘。
作為金屬3D打印最常用的原材料之一，金屬球形粉末發揮著至關重要的作用。由于3D打印在制造工藝上的特殊性，其所需的金屬粉末也有區別于傳統的粉末冶金方法，目前打印用粉末多是以球形度高、流動性好、純度高的細粉為主。因此，像傳統的還原法、電解法等方法生產出的不規則粉末難以在金屬3D打印中得到實際應用。近年來，隨著金屬產品在裝備制造領域應用的普及，金屬3D打印的應用市場也不斷擴大。為實現金屬3D打印產業化大規模發展，對原材料金屬粉末的產量、成本等要求也需要不斷提高。
南極熊將通過《全球3D打印金屬粉末材料報告·2021》專題報告（可往南極熊公眾號后臺回復關鍵詞“ 粉末材料2021”獲取PDF文件）來梳理金屬3D打印粉末材料產業情況，主要包括：
3D打印金屬粉末應用現狀
3D打印金屬粉末市場情況
3D打印金屬粉末的制備工藝
3D打印金屬粉末供應商
金屬3D打印粉末的制備工藝
從工藝方面劃分，當前全球主流的3D打印金屬粉末制備方法包括：氣霧化法（GA）、等離子旋轉電極法（PREP）、等離子霧化法（PA），以及等離子球化法（PS）等。
1）氣霧化法
氣霧化法是利用惰性氣體在高速狀態下對液態金屬進行噴射，使其霧化、冷凝后形成球形粉。
展開 1.1 霧化法
霧化法制取的粉末已占當今世界金屬3D打印粉末的80%以上, 其原理是以快速運動的流體 (霧化介質) 沖擊或以其他方式將金屬或合金液流破碎為細小液滴, 隨之冷凝為固體粉末的粉末制取方法, 其原理結構圖如圖1所示, 根據霧化介質不同, 霧化法主要分為水霧化和氣霧化。
圖1 霧化制粉原理圖
1.1.1 水霧化
水霧化是以水為霧化介質制備金屬粉末, 其生產成本低, 霧化效率高, 常用來生產鋼鐵粉末、含油軸承用預合金粉末、鎳基磁性材料粉末等。相對氣霧化, 水的比熱容比較大, 在霧化過程中破碎的金屬熔滴快速凝固變成不規則狀, 導致粉體形狀難以控制, 且難以滿足金屬3D打印對粉末球形度的要求, 此外由于活性金屬及其合金在高溫下與霧化介質水接觸后會發生反應, 增加粉末氧含量, 這些問題限制了水霧化法制備球形度高、氧含量低的金屬粉末。
1.1.2 氣霧化
氣霧化的原理是通過高速氣流將液態金屬流粉碎為小滴并快速冷凝成粉末的過程。氣霧化制備金屬粉末具有粒度細、球形度高、純度高等優點, 是目前生產3D打印用金屬粉末的主要方法, 其制備的3D打印粉末金屬占霧化法制備粉末的40%左右。但氣霧化技術也存在一定的不足, 在氣流破碎金屬液體的過程中, 氣流能量低, 霧化效率低, 增加了金屬粉末制備成本。
德國Nanoval公司在氣霧化技術的基礎上, 對噴嘴結構進行改進, 提出層流霧化技術。層流霧化噴嘴結構如圖2所示。該技術使氣流和金屬液流在層流霧化噴嘴中呈層流分布, 氣流在金屬表面產生的剪切力和擠壓力, 將金屬液流剪切成直徑不斷縮小的液滴, 其冷卻速度達106~107K/s, 制備的粉末粒度分布窄, 在2.0MPa的霧化壓力下, 霧化制備的金屬粉末平均粒度可以達到10μm。
展開 雖然射出成型是在1945 年二戰之后才開始大量的流行，但因為塑膠原料的進度使射出技術也日新月異的推進，而金屬射出成型自然是藉由射出技術所擴展的，因此了解金屬粉末、高分子聚合物的性質就變得非常重要，正好我在學生生涯的學習都派上用場。
兩個靈魂──喂料與模具MIM 最重要的兩個靈魂在于喂料與模具，而靈魂的連接器就是射出成型機，這是近五年與邱博到處當顧問服務客戶所得到的重要說法，如下說明。
喂料(Feedstock)喂料是由金屬粉末（固體顆粒）與黏結劑（高分子聚合物），這是MIM 工藝采用和塑膠射出工藝一樣的方式，利用砲筒的加熱以溫度改變高分子聚合物的相由固轉液的特性，且此時液相的黏結劑有足夠的黏度能夠攜帶金屬粉末固體均勻的流動并填充到模具的模穴中，來獲得設計過形狀的生坯，最終通過脫脂和燒結獲得金屬的零件。因此，金屬粉末的粒度分布、形狀和面貌與黏結劑成分的比例設計有絕對的關系。
表1：MIM 的粉末的品質控制（黃底為MIM 工廠應有的儀器）
表2：黏結劑與喂料的品質控制（黃底為MIM 工廠應有的儀器）
表1 與表2 顯示MIM 的金屬粉末、黏結劑與喂料組成應該注意的參數和判斷機制，以確保獲得最終產品的品質控制。由于一般的MIM 工廠不一定有這麼多的精密儀器，最好在採購物料時能夠要求供應商提供必要且即時性的報告（切勿使用過時的報告，批量間的差異會導致制程控制的不定性），并且自己廠內至少要有幾樣檢測儀器，才能確保MIM 喂料的品質。
其中，熔融指數測定儀(Molting Flow Index meter)是一種很有效可以測量喂料（不論是新、舊或是多次射出的殘料）的有效工具，可以幫助我們把現有喂料的特性給檢驗出來。如圖2 所表示，每個溫度點取三次平均值。
展開 雖然射出成型是在1945 年二戰之后才開始大量的流行，但因為塑膠原料的進度使射出技術也日新月異的推進，而金屬射出成型自然是藉由射出技術所擴展的，因此了解金屬粉末、高分子聚合物的性質就變得非常重要，正好我在學生生涯的學習都派上用場。
兩個靈魂──喂料與模具MIM 最重要的兩個靈魂在于喂料與模具，而靈魂的連接器就是射出成型機，這是近五年與邱博到處當顧問服務客戶所得到的重要說法，如下說明。
喂料(Feedstock)喂料是由金屬粉末（固體顆粒）與黏結劑（高分子聚合物），這是MIM 工藝采用和塑膠射出工藝一樣的方式，利用砲筒的加熱以溫度改變高分子聚合物的相由固轉液的特性，且此時液相的黏結劑有足夠的黏度能夠攜帶金屬粉末固體均勻的流動并填充到模具的模穴中，來獲得設計過形狀的生坯，最終通過脫脂和燒結獲得金屬的零件。因此，金屬粉末的粒度分布、形狀和面貌與黏結劑成分的比例設計有絕對的關系。
表1：MIM 的粉末的品質控制（黃底為MIM 工廠應有的儀器）
表2：黏結劑與喂料的品質控制（黃底為MIM 工廠應有的儀器）
表1 與表2 顯示MIM 的金屬粉末、黏結劑與喂料組成應該注意的參數和判斷機制，以確保獲得最終產品的品質控制。由于一般的MIM 工廠不一定有這麼多的精密儀器，最好在採購物料時能夠要求供應商提供必要且即時性的報告（切勿使用過時的報告，批量間的差異會導致制程控制的不定性），并且自己廠內至少要有幾樣檢測儀器，才能確保MIM 喂料的品質。
其中，熔融指數測定儀(Molting Flow Index meter)是一種很有效可以測量喂料（不論是新、舊或是多次射出的殘料）的有效工具，可以幫助我們把現有喂料的特性給檢驗出來。如圖2 所表示，每個溫度點取三次平均值。
展開 2.粉末粒度分布和微量元素差異造成的金屬3D打印質量問題
3.粉末床熔融過程中的冶金問題和質量控制
4.北京科技大學：3D打印「低成本金屬粉末制備新技術」實現應用
金屬粉末的最新內容
大象隊：這類結構一類可以通過3D打印實現，但成本相對較高；另一類則可以通過金屬粉末成形、拼接加特殊熱處理等工藝完成，成本可能低于直接3D打印。可以根據成本和加工條件選擇更合適的實現方式。
適創工程師：回到模具結構本身，你們在結構細節上還做了哪些重點優化？
大象隊：在模具結構部分，我們重點強化的是長期量產中的穩定性和可維護性。
粉末注射成型(PIM)技術起源于1973年，利用金屬或陶瓷粉末加上一定量的黏著劑(binder) 共同組成置備料(feedstock)。 粉末注射成型置備料可以透過射出、脫脂與燒結等程序后，可以做出各種產品。粉末注射成型透過單一的加工制程直接做出復雜形狀的產品，適合大量制造，已經廣泛使用于各種產業。
在金屬粉末冶金和3D打印領域，金屬顆粒的級配對材料致密度和力學性能有重要影響。
塑料顆粒在注塑成型和擠出成型過程中，合理的級配可以提高產品的表面質量和力學性能。
在玻璃纖維、碳纖維等填充材料中，需根據產品要求調整短纖維和長纖維的比例，以達到最佳的材料強度和韌性。
它無需初始的實體坯料，而是根據三維數字模型，將金屬粉末、光敏樹脂或工程塑料等材料，通過逐層堆積、熔合、固化等方式，“自下而上”地構建出物體。其核心是“疊加”。
這種根本性的差異，決定了兩者在能力、局限性和適用場景上的天然分野。
二、全面對決：3D打印與機加工有什么區別？
此外，其增材制造模塊集成了點陣結構建模、參數化控制、結構/流體性能驗證，以及金屬粉末床熔融、粘結劑燒結等工藝仿真，能在打印前預測變形與缺陷。
Inspire 還支持多物理場集成仿真（結構、剛柔耦合、流體散熱、閥門流量控制等）與多種工藝仿真（鑄造、沖壓、注塑、擠壓、發泡等），并可通過 Python 腳本實現全流程自動化建模、求解與報告生成。
此外，其增材制造模塊集成了點陣結構建模、參數化控制、結構/流體性能驗證，以及金屬粉末床熔融、粘結劑燒結等工藝仿真，能在打印前預測變形與缺陷。
Inspire 還支持多物理場集成仿真（結構、剛柔耦合、流體散熱、閥門流量控制等）與多種工藝仿真（鑄造、沖壓、注塑、擠壓、發泡等），并可通過 Python 腳本實現全流程自動化建模、求解與報告生成。
其核心原理是通過噴頭將粘結劑液滴精準噴射到金屬粉末床中，逐層粘接粉末并最終燒結成型。然而，這一過程中，粘結劑在粉末床中的滲透行為直接決定了零件的致密度、表面精度和力學性能。
近期，河北工業大學聯合海克斯康工業軟件技術團隊在金屬BJ工藝的相關研究中取得突破。通過Cradle CFD構建滲透模型，揭示了溫度對粘結劑滲透的雙重作用機制，并通過實驗驗證了仿真結果的可靠性。
金屬3D打印
通過對金屬3D打印的關鍵元件——手套箱的合理的利用，我們不僅可以有效的防止金屬粉末的氧化和吸濕的同時，也可以為后續的打印工作創造了一個極為理想的打印環境。
VG可以識別泡沫材料中的氣孔或顆粒材料中的單個顆粒（例如粉末金屬添加劑）。VG還可以模擬夾具，修正自由狀態與組裝狀態的幾何變異性。另外，VG提供多種模擬選項，包括結構分析、傳遞現象和電池陽極懸垂模擬等。
目前，大部分3D金屬打印的應用，采用沉積金屬粉末經過外部能量源（如激光或電子束）的作用，熔化后再形成固體。但是這類型的工藝在制造成本與加工復雜度上仍然存在缺點。例如：在3D打印之前，必須要先制備金屬粉末，才能開始進行后續加工。
新的工藝開發基于磁流體動力學(magnetohydrodynamic, MHD)，是噴墨技術應用在一個可移動基材上的3D金屬增材制造方法。
