Прахово шприцване

• Праховото инжекционно формоване (PIM) е сред най-иновативните съвременни технологии в индустрията, които позволяват производството на големи обеми или серии от изделия
  
  
• Възможно е изработването на изцяло метални и керамични детайли с комплексна геометрия дори от изходна суровина с нееднороден състав
  
  
• Методът осигурява същата лекота и свобода по отношение на дизайна като при леенето на пластмаси

Праховото инжекционно формоване (PIM) е сред най-иновативните съвременни технологии в индустрията, които позволяват производството на големи обеми или серии от изцяло метални и керамични детайли с комплексна геометрия дори от изходна суровина с нееднороден състав. Макар и самият метод да не е нов, а да съществува в практиката от вече близо век, непрекъснато се правят нови разработки и се внасят технически подобрения в използваните основни и спомагателни материали, в процеса и приложенията, базирани на най-иновативните концепции в областта към момента. Компоненти, изработени чрез прахово шприцване, се използват широко в машиностроенето и автомобилната индустрия, в производството на богато разнообразие от потребителски стоки, в електрониката и медицинската техника и т. н.

Същност и развитие на технологията

При праховото шприцване се разграничават четири основни фази на процеса: смесване на изходната суровина (термопласт и метален прах), леене под налягане на сместа от прахов компонент и свързващо вещество (binder), отделяне на свързващия компонент и синтероване. Една от възможните комбинации е използване на полиацетал като свързващо вещество и прахова нисколегирана стомана.

Изходната суровина се подбира спрямо специфични свои характеристики, като плътност, визуални специфики и др. В резултат на прахово инжекционно формоване се произвежда т. нар. “зелено” изделие, което от своя страна също се тества по споменатите показатели.Технологията за първи път е използвана през 30-те години на миналия век за леене под налягане на керамични обвивки за изолатори на свещи. Методът бързо бива възприет и в областта на леенето по топими модели (investment casting), където все още се използва за производство на керамични сърцевини за различни изделия. Най-голям интерес от индустриалната общност процесът предизвиква, когато е използван за първи път за формоване на метални прахове в средата на 70-те години. Иновативното приложение провокира мащабна научноизследователска и развойна дейност в областта в следващите десетилетия. Усъвършенстван и малко по-късно патентован, методът масово се възприема в производствения сектор през 80-те години.

Сред основните му предимства е възможността да се изработват керамични или метални детайли със същата лекота и свобода по отношение на дизайна като при пластмасите. Нека разгледаме в повече детайли и четирите му основни фази.

Подготовка на суровината

Суровината или изходният материал се получава чрез смесване на съответната прахова субстанция със свързващия агент. Последният е необходимо да може да поема големи обеми фини метални или керамични прахове (около 60% обем) и да образува хомогенна маса, която позволява шприцване при висока температура и пластифициране, да дава възможност за бързо, лесно, ефективно и екологосъобразно премахване на свързващия компонент и да гарантира достатъчна здравина на полученото готово изделие.

Ролята на този спомагателен компонент е да свърже отделните частици на праховата субстанция и да направи възможно отливането й в избраната комплексна форма, като осигури устойчивост на заготовката и процеса през всичките му четири фази. Ето защо за целта се използват специални инженерни материали, най-често термопласти, специално разработени и/или подобрени с оглед изискванията на технологията. Подходящи субстанции са например: парафинов восък (PW), полиетилен гликол (PEG), микрокристален восък (MW), различни термореактивни смоли, системи на водна основа (агар, карагенан), еластомери (EVA) и др.

Сред новостите в областта е използването на комбинация от два свързващи компонента (първичен и вторичен), първият от които се премахва почти напълно от изделието в съответния етап, а вторият остава в него чак до фазата на синтероване, където се отстранява, за да гарантира междувременно здравината му. Освен двата свързващи агента в сместа се слагат и различни добавки – смазки, повърхностно активни вещества, които да понижат вискозитета и да подобрят импрегнирането, втвърдители и др.

Списъкът с подходящи за шприцване прахови субстанции включва:

• неръждаема стомана;
  
  
• нисколегирани и бързорежещи стомани;
  
  
• сплави на основата на мед, никел, алуминий и кобалт;
  
  
• карбиди, титан, магнитни сплави, огнеупорни и твърди метали;
  
  
• керамични материали (цирконат, силициев карбид, силициев нитрид);
  
  
• композити с метална матрица (MMC), композити с керамична матрица (CMC) и др.

Инжекционно формоване

Чрез прахово шприцване могат да бъдат икономично произвеждани широка гама от детайли със стандартна или неправилна форма и комплексна геометрия посредством смес от термопластични материали и метални или керамични прахови субстанции, използвайки конвенционални машини за леене под налягане. Работният цикъл при праховото инжекционно формоване протича в няколко основни стъпки:

• Затваряне на матрицата;
  
  
• Шприцване на материала;
  
  
• Поддържане на допълнително налягане за минимизиране на свиването на изделието при охлаждане (по-малко от налягането при леене на материала);
  
  
• Пластифициране на материала;
  
  
• Изваждане на изделието от матрицата – материалът в пресформата се охлажда, като топлината се поглъща от специален охладителен флуид, а след края на този етап подвижната секция на матрицата се отваря;
  
  
• Затваряне на матрицата и рестартиране на работния цикъл.

Получената след края на този процес “зелена” заготовка е компактен продукт, който все още съдържа свързващ агент, например полиацетал. Полиацеталите са известни като полукристални термопластични инженерни полимери и се използват за производството на напрегнати части. Отличният цялостен профил на свойствата им (добра обработваемост, висока пространствена стабилност, висока твърдост и добра якост на топлина) прави полиацеталите предпочитан материал за взискателни приложения. Чрез леене под налягане например на термопластичен материал (PPS) с прахообразни добавки на базата на метал (Fe), преходен елемент (B) и редкоземен елемент (Nd) може да се получи “зелен” детайл, който да се използва и в качеството му на краен продукт. Пример за това е праховото шприцване на смес от NdFeB и PPS за производството на т. нар. пластмасови магнити.

Премахване на свързващия агент и синтероване

След фазата на леене под налягане и производството на “зелена” част, следващата фаза в праховото шприцване включва премахването на свързващия компонент, при което се получават т. нар. “кафяв” и след това “бял” детайл. “Кафявото” изделие се синтерова чрез два основни процеса. Първият включва премахване или термично разграждане на остатъчния свързващ компонент. Вторият процес протича в порестите части, които съдържат само праховата метална субстанция. Извършва се термично активиран транспорт на материала в атомен мащаб, което води до намаляване на специфичната повърхност на прахообразните частици. Увеличаването на контактните зони между частиците и намаляването на обема на порите водят (макроскопски) до свиване на частта.

Целта на синтероването е да се модифицират свойствата на изделието, което е силно порьозно в т. нар. “кафява” фаза, а постигнатата крайна плътност на “белия” продукт е правопропорционална на качеството на процеса по синтероване (възможно е достигане на стойности от порядъка на 95 – 100%). Използването на технология за каталитично отделяне на свързващия агент позволява напълно непрекъснат PIM процес, представляващ свързващо или междинно звено между високоавтоматизираните машини за формоване, използвани за леенето на пластмаса, и високопроизводителните пещи за непрекъснато синтероване, използвани в праховата металургия.

Предимства

Праховото шприцване има множество предимства при изработването на индустриални изделия. Ключова е възможността за масово производство на близки до крайния си вид геометрично сложни продукти. Процесът дава голяма гъвкавост и свобода при проектирането на комплексни керамични, метални, металокерамични и композитни обекти. Дизайни, които преди са били отхвърляни като твърде трудни или скъпи за изпълнение с помощта на други производствени техники, стават комерсиално приложими и дори рентабилни с помощта на праховото формоване. Възможно е и изработването на специални елементи и характеристики на изделията, като глухи отвори с неправилни форми, винтови резби, повърхностни профили, перпендикулярни отвори, прорези, сложни кухини и др.

Други важни предимства са икономичността на метода и опциите за рециклиране на отпадъчните продукти от процеса. Това е особено полезно, като се има предвид високата цена на някои от използваните материали. В допълнение, последващата механична обработка е елиминирана или значително намалена. Бонус е и фактът, че металокерамичните и керамични материали, които са твърди и трудни за обработка, са лесно достъпни на пазара под формата на фини частици на разумна цена, което ги прави идеални за PIM обработка.

Преимущество на праховото леене под налягане е и гъвкавостта по отношение на състава и характеристиките на материала. Компоненти със сложна форма могат да бъдат изработвани с широк диапазон от постоянни и възпроизводими плътности. Детайлите могат да бъдат синтеровани специално за създаването на структури с ниска плътност, които намират приложение в матриците (ядрата) за отливане по модел, в изолационни системи, филтри, твърди оксидни горивни клетки, субстрати за катализатори и предварителни форми за производството на опаковки, леки структурни керамични или метални матрични композити и др.