粉末成型技术创新及其发展现状

作为一种制造机械零件的特殊方法，粉末成型技术近年来取得了惊人的发展，在工业界占据了较为重要和坚实的地位。这一技术，能大量生产形状复杂的零件，减少后续加工，较大程度上节省了工时、降低了成本。

随着我国工业化生产的蓬勃发展，对粉末成型制品的需求量越来越大，质量要求也越来越高。目前，制约粉末成型工业发展的两个主要因素是粉末材料和粉末成型的专用压制设备。近年来，由于高强度、高精度、形状复杂零件在粉末成型零件中所占比重越来越大，并将逐渐占主导地位，对粉末成型压机的性能和压制精度也提出了更高的要求。随着粉末成型技术的发展以及市场的需求。多台面的复杂零件在粉末成型零件生产中所占比重逐渐增大。粉末压机在生产的过程中，压制设备对粉末压制零件最终的成型精度起着至关重要的作用，粉末压制技术发展较早，技术已经比较成熟，目前国外粉末压机多采用模架系列压机和多功能压机，可一次压制形状复杂的多台面零件。但在国内，粉末压机还处于发展阶段，产品整体质量还不是很高，主要是致密性和精度较低。

粉末成型技术原理

粉末成型技术是一种借助计算机辅助设计或用实体反求方法采集到有关信息或零件的几何形状、结构和材料的信息，建立数字化描述模型，之后将这些信息输出到计算机控制的机电集成系统，通过逐点逐面进行材料的三维堆砌成型，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，快速准确地制造原型或实际零件或部件的现代化方法。目前，快速原型制造技术的原理都是采用分层叠加法，即用计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)造型生成标准模板库（STL Standard Template Library）文件及分层切片等步骤进行分层处理，借助计算机控制的成型机完成材料的形体制造，流程图如图1。

粉末成型技术主要应用

目前，快速原型制造技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军事装备、材料工程、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器具、人体器官模型、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了广泛的应用，按快速原型制造技术的产品功能，其应用可以分为原型、模具、模型、零部件等。其主要应用为：(l)原型制造；(2)模型、零件的观感评价；(3)装配校核；(4)性能和功能测试；(5)制造快速模具。

粉末成型技术工艺

温压技术是美国Hoeganaes公司在20世纪90年代研发的一种新型的粉末冶金成型技术。该工艺通过一次压制便可生产出高密度、高强度和低成本的粉末冶金零件，具有非常广阔的应用前景。温压技术的原理是将加有特殊润滑剂的预制金属粉末和模具等加热至130～150℃，并将温度波动控制在±2.5℃以内，然后进行压制、烧结而制得金属粉末冶金结构零件，目前此工艺成为常规的粉末成型技术。

图1 粉末成型技术原理流程图

动力磁性压制成型技术是将粉末装于一个导电的容器内，置于高强磁场线圈的中心腔。电容器放电，在数微秒内对线圈通入高脉冲电流，线圈腔中形成磁场，护套内产生感应电流，感应电流与施加磁场相互作用，产生由外向内压缩护套的磁力，因而粉末受到二维压制。动磁压制技术虽然也是二维压制工艺，但与传统的粉末成型压制工艺不同，通过技术矛盾及创新方法原理，动磁压制技术是径向由外向内的压制，而不是轴向压制。整个压制过程所用时间不足1毫秒，生产效率高、压件性能好。动磁压制的研究主要集中在美、日两国，目前新的工艺和方法还在不断涌现。

多场耦合粉末成型固结技术即在外加强电场、强磁场、应力场和温度场等多个场叠加作用下，与传统粉末成型和烧结方法所固有的内场耦合，进行成型与烧结，或者在多场耦合作用下，采用非传统的方法对粉末进行成型与烧结，用于制造现有技术难制备的粉末成型零件，或提高零件的性能。人们通过技术创新方法，如物场分析法、物理矛盾矩阵等原理，使得该技术集粉末成型与烧结于一体，可大幅度提升粉末成型行业的技术水平及生产效率，生产出高性能、高可靠性和寿命长的精密零件。

立体光刻成型技术是利用物场相混作用创新原理，通过激光器发射高能紫外线光束，光束从底部向上逐层扫描感光凝固环氧树脂，当激光的能量超过一定值后，液态环氧树脂便聚合凝固层固化完毕后，工作台向下移动，在刚固化的树脂表面涂敷一层新的液态树脂，循环上述过程直至最后一层形成,是目前较为先进的一种粉末成型技术。

选区激光烧结成型。在创新方法中，有一种创新原理是通过对技术矛盾的选取，找到一对恶化和改善的参数，通过矛盾矩阵提供的方法进行产品及工艺设计，选区激光烧结成型通过这种创新方法，用红外线激光熔化粉末状材料来形成三维物体。粉末材料可以是塑料、陶瓷、金属或它们复合物。在加工区域内用一滚筒均匀地铺上一层热塑性粉末材料，用激光在粉末表面绘出所需加工物体的截面形状，利用激光热量使粉末状材料熔化并在接触点处与旧层黏结，逐层进行。该方法可以直接制作产品原型、精铸蜡模、实型铸造等。

叠层实体成型技术是将预先制作好的有一定厚度的材料层通过热黏结一层一层地黏结在一起成为一个方块。在各层被覆盖前用计算机控制的CO2激光束切割出实体的轮廓。为了便于清除余料，实体轮廓外的部分也用激光束切割离散成小块。所有叠层形成后原型就埋在材料方块中，除去的余料后即可得到要制作的原型。该方法制作的原型无内应力、无变形，精度高成型速度快的优点，利用知识库查询的方式，对原有技术进行总结归纳，在此基础上进行创新，得到了工艺可行的制备技术。

熔融沉积法利用热塑性纤维状材料，材料熔化后从传送头出来逐层地在底座上沉积。这种层叠技术依赖于成型材料的快速固化性能，熔融态的热塑性材料快速沉积成薄层，从底座上开始逐层从模型底部向上进行，直到顶部完整的模型生成为止，在此过程中，通过冲突矩阵创新原理，对其进行计算及数据整合，得到最优条件下的工艺参数。

三维喷涂黏结类似于喷墨打印机，是利用类比的创新原理得到启发而发明的一种新式粉末成型设备，首先在基体上铺粉或铺基底薄层，利用喷嘴按指定路径将液态黏结剂喷在预先铺好的粉层或薄层上特定区，逐层黏结后去除多余底料便得到所需制件，也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆，硬化后得到所需形状的制件。

焊接成型采用现有的各种成熟的焊接技术、焊接设备及工艺方法，用逐层堆焊的方法制造出全部由焊缝金属组成的零件，也称熔化成型或全焊缝金属零件制造技术，也是通过堆积创新方法得到的新工艺。

放电等离子烧结技术早在1930年美国科学家就提出脉冲电流烧结原理，但是直到1965年，放电等离子烧结技术才在美、日等国得到应用，该技术的推广应用则是从20世纪80年代末期日本研制出第一台放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，简称SPS）设备开始的。目前，利用创新方法中的S曲线进化原理，找到产品的发展路线，如产品的寿命周期为婴儿期、成长期、成熟期等具体的位置，再通过对烧结设备进行改造，得到适应于当下产品所需的设备及仪器。对原设备进行改造后，放电等离子烧结给一个承压导电模具加上可控脉冲电流，通过调节脉冲直流电的大小控制升温速度和烧结温度。SPS装置主要包括:轴向压力装置、水冷冲头电极、真空腔体、气氛控制、直流脉冲电源及冷却水、位移测量和安全等控制单元。

结语

粉末成型技术是一种重要的技术。粉末成型新技术、新工艺的不断创新，必将促进高技术产业的快速发展，也必将给材料和制造技术领域带来新的契机。目前，我国粉末成型行业整体技术水平低下、工艺装备落后，创新能力不足，与国外相比存在较大差距。因此，大力发展粉末成型新技术的研究，利用好目前较为成熟的创新方法及创新原理，如TRIZ创新工具、CAI/Pro/Innovator创新平台等，对提高我国粉末成型产品的档次和技术水平，缩短与国外先进水平的差距具有非常重要的意义。