粉末注射成型（PIM）与其他净成形工艺的比较

粉末注射的可行性是由其他竞争性工艺决定的。在任何项目中都存两个相互竞争的步骤的。第一个步骤是基于加工能力的筛选: 哪种成形工艺可以用来成形期望的特征和性能？第二个步骤基于成本的竞争：对于期望的生产批量，通过第一步筛选成形后的成形工艺哪一个成本最低？如果第一步不能满足技术要求那么成本就根本不需要考虑。工艺能力总是第一障碍，但成本总是关键的核心问题。

图1用来判断一个零件是否可采用PIM生产的技术方面的决策树

 

1.加工能力

这里的分类采用如图1所示的决策树。首先是判断PIM是否用作主要的成型工艺，接着是判断产品是否是具有三维几何特征的零件（主要是区别于线缆、薄板、管或板块）。后面考虑的是生产批量的经济性，就是订单的数量，用来判断模具和设备的成本。图2给出的是经济性的生产批量，集中比较PIM与其他净成形工艺的优点和局限性。

图2几种净成型工艺的经济的批量范围

生产三维形状产品通常有三种方法:增加材料，去除材料或复制过程。一般的增加树料的过程，如选择性激光烧结，在产量超过10件时经济性不好。机加工和磨削加工时去除材料的过程,很适合形状简单的零件，材料的去除量小。例如，车床用来生产圆柱形的零件，生产效率会很高。像PIM这样的复制工艺对于大批量生产三维形状的零件是最有用的。

这里还包括模压、等静压、粉浆浇注、锻造和几种铸造工艺。这些工艺需要制造一个带有与零件几何负像的主模具，然后在负像内填人材料，从而形成出一个正像的复制品。作为一种复制工艺PIM是相当成功的，因为它可以用于几乎所有的耐用材料，并获得优越的性能，以及成形三维零件。PIM零件的性能可以与机加工、铸造、粉末压制和冲压工艺相当。

首先，通过图1所给出的决策树对净成形工艺进行筛选和对比，包括以下复制和去除材料的方法:

1)粉末注射成形

2）粉末压制工艺(冷等静压、粉末锻造、压模)

3) 变形工艺（热锻、冷锻、冲压、精冲）

4）铸造工艺（压铸、砂型铸造、精密铸造、半固态注射成形)

5)机加工工艺（铣削、磨削、车削、钻孔、镗削)

其他方法不适合于大批量生产的情形。因此，为了继续进行技术分析，需要检查这些净成形方法的工艺能力，包括基于以下因素的设计要求：

l）表面糙度度

2）可加的材料

3)形状范围

4) 尺寸范围

5)批量大小

6)模具成本。  

7)公差

许多其他的复制技术受到形状范围的限制，尤其是当需要采用高压成形时，如模压和热锻。模具的加载和零件的顶出没有滑块或型芯，因此零件仅仅可以在压制方向复制形状。同样，设备的成本也随着尺寸的增加而增加，尤其是高压工艺，因此限制了不同工艺的放大。图3比较了几种净成形工艺允许的典型公差。

图3几种净成形工艺可以达到的公差范围

 

图4给出几种净成形工艺能达到的典型表面粗糙度。比较可知，PIM优于铸造工艺，但是比精密机加工要差。

图4几种净成形工艺能达到的典型表面粗糙度范围

表1总结了用于大批量生产离散三维零件的几种净成形工艺，列出了各种工艺的优点和局限性。每个工艺都有最适合的特定特征组合。PIM可以成形的零件的形状范最广，这是PIM工艺的长处，但是与锻造、铸造、机加工和其他如热等静压和冷等静压之类的粉末工艺相比，PIM在零件尺寸范围上通常受到限制。

表1与PIM竞争的几种成型工艺的优点和局限性

工艺	优点	局限性
冷锻	力学性能高 表面粗糙度低 生产效率高	模具磨损大 形状受到材料流动的限制
压铸	生产效率高 形状可以很复杂	需要拔模角 力学性能低 缺陷多
模压	材料可以灵活选择 材料利用率低 可以实现自润滑 自动化程度高	孔隙会降低材料的性能 尺寸、形状和精度收到限制 模具成本高 通常适用于小零件
精冲	表面和边缘非常光洁 重复性高 生产效率高	仅适用于同意后都零件 零件在冲压方向不能有负角 没有垂直方向的特征
热锻	优越的力学性能 生产效率高 适用于复杂形状	形态、形状和细节特征收到限制 对于大尺寸，精度低 模具磨损大 限于有韧性的金属
热压	适合全致密化的复合材料 尺寸控制好 应用于硬质材料	生产效率有限 模具寿命短，形状简单 模具—粉末之间的反应
精密铸造	形状复杂性好 可能的尺寸范围广 用于高性能材料	生产周期长，浪费大 表面质量差 可能有陶瓷污染
等静压	可用于很多材料 模具成本低 最适合于大型结构	生产效率中等 精度低 形状复杂性收限制
激光烧结	无需模具 适合于小批量 尺寸可以放大	制造过程慢 表面质量差 材料受到限制 需要几道后续加工
机加工	公差精度可以很好 工模具成本很高 被广泛使用 尺寸范围很宽	大批量生产时浪费大 浪费材料，排放冷却液 生产效率中等
模铸	形状范围宽 使用广泛 可以采用内部型心	表面质量差 气孔和缺陷 适用于低熔点的金属
粉末锻造	自动化程度高，生产效率高 力学性能高	精度低，几何形状收限制 模具寿命短暂 仅用于有限合金 仅适用于大批量生产
砂型铸造	形状范围宽 材料和模具成本低 用于形状大的零件	力学性能低 废料，缺陷，气孔，夹渣 表面质量差
壳型铸造	表面粗糙度值小，形状复杂 尺寸精度控制好 消除孔洞	有一些情况下模具寿命短 仅适合于小尺寸零件 排放有毒气体
粉浆浇注	适合于几种材料 可以形成大的零件结构 需要非常细的粉末	工艺过程慢，批量小 缺陷和公差控制能力差 最适合于中空结构
半固态注射	适用于三维形状 零件复杂范围宽 力学性能低	仅用于低熔点金属 模具成本高，寿命有限 飞边增加了清理成本

2.成本因素

对硬质合金和陶瓷，用于PIM的粉末通常与用于模压、粉浆浇注或冷等静压的粉末之间是没有差别的。然而，这些方法在可成形零件的形状复杂性方面是不同的。另一方面，对于很多金属材料体系，PIM粉末比锭材或棒料的成本要高。PIM方法在生产中不需要像机加工那样去除材料，因此节约的成本必须要能够弥补原材料成本上的差距。通常决定是否采用PIM方法要综合考虑形状、生产效率和尺寸精度。如果模压零件需要磨削或精加工这样的后续加工,那么PIM常常是更好的选择。

图5集中成型工艺的零件形状复杂性和经济批量相互作用关系示意图

图6三种工艺单件成本与形状复杂性之间的关系

PIM模具的成本和塑料注射模具差不多，二者都很贵，因此只有生产批量足够大时，才能分摊模具成本。图7说明了PIM和其他几种净成形工艺的相对工模具成本。在生产批量较低时，PIM有它的弱点，但对于大批量生产是划算的。 

图7 PIM和其他几种净成型工艺的工模具成本比较

 

因此，成本是最后决策是否采用PIM的关键参数。显然这些工艺间的竞争中，PIM有很多胜出的例子，对于复杂些的几何形状，零件的制造成本降低为其他工艺的l/6-1/8。

 

3.竞争优势分析 

图8PIM和其他净成型工艺的相关属性比较的区域图

PIM成功应用于以下因素的组合:

1） 克服塑料件在本质性能方面的限制。

2） 扩展了冲压、锻造和精冲说成型零件的形状复杂性。

3） 超过了模压零件在性能和形状上的范围限制。

4） 与机加工相比成本更低。

5） 生产效率水平是等静压和粉浆浇注不能达到的。

6） 避免与铸造相关的缺陷、表面粗糙度和公差局限性。

来源：《粉末注射成形:材料、性能、设计与应用》 (美) Randall M. German, (中) 宋久鹏著

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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：粉末注射成型（PIM）与其他净成形工艺的比较