Khi hầu hết mọi người nghe thấy 'máy ép phun kim loại', họ hình dung ra một bộ phận nguyên khối duy nhất — một loại máy in 3D công nghiệp dành cho kim loại. Đó là quan niệm sai lầm đầu tiên. Trên thực tế, nó là một hệ thống, và bản thân chiếc máy, bộ phận phun, chỉ là bộ phận dễ thấy nhất. Câu chuyện thực sự xảy ra trong quá trình chuẩn bị nguyên liệu, lò nung và lò thiêu kết. Tôi đã thấy quá nhiều dự án bị đình trệ vì họ phân bổ ngân sách cho một dự án cao cấp máy ép phun kim loại mà quên mất các quá trình nhiệt ở hạ lưu. Máy là một ống tiêm chính xác; chính chất hóa học và xử lý nhiệt mới thực sự tạo nên bộ phận đó.
Cốt lõi của hệ thống: Không chỉ là tiêm
Hãy nói về đơn vị tiêm. Nó không giống như ép phun nhựa, nơi bạn chỉ cần nấu chảy và bắn. Nguyên liệu ở đây là hỗn hợp đồng nhất của bột kim loại mịn và chất kết dính polymer. Độ nhớt rất phức tạp. Nếu thông số nhiệt độ thùng máy của bạn chênh lệch thậm chí 10°C trong một vùng, bạn có thể bị phân tách—chảy chất kết dính lên bề mặt hoặc lắng bột. Tôi nhớ lại quá trình tìm kiếm một số dụng cụ phẫu thuật nhỏ, phức tạp bằng thép không gỉ. Chúng tôi sử dụng một chiếc máy của một nhà sản xuất Đức, loại máy mạnh mẽ nhất, nhưng chúng tôi liên tục gặp phải các lỗi về dòng chảy tầng. Vấn đề không phải là áp suất của máy hay lực kẹp; đó là thiết kế vít. Nó quá mạnh so với độ nhạy cắt của nguyên liệu cụ thể đó. Chúng tôi phải làm việc với nhà cung cấp nguyên liệu để điều chỉnh hệ thống chất kết dính. Khả năng của máy được xác định bởi khả năng tương thích của nó với vật liệu, không chỉ trọng tải của nó.
Lực kẹp là một lực khác. Mọi người bị ám ảnh bởi nó. Chúng tôi cần một cỗ máy 50 tấn! Đối với hầu hết các bộ phận MIM, bạn hiếm khi cần lực lớn vì bạn đang lấp đầy các khoang nhỏ. Độ chính xác nằm ở việc đo sáng, điều khiển cú đánh và khả năng giữ tốc độ phun chậm, ổn định để tránh phun nước. Một cạm bẫy phổ biến là sử dụng tốc độ phun quá nhanh, khiến không khí bị giữ lại và tạo ra các khoảng trống chỉ xuất hiện sau khi thiêu kết. Phần mềm điều khiển của máy cần cho phép thực hiện thao tác đổ đầy chậm, nhiều giai đoạn. Đó là một trò chơi tinh tế.
Sau đó là độ mòn của thùng và vít. Bột kim loại có tính mài mòn. Ngay cả với các bộ phận cứng, bạn vẫn phải xem lịch bảo trì nghiêm ngặt hơn so với nhựa. Tôi đã rút được vít sau một năm vận hành nguyên liệu không gỉ 17-4 PH trông như được phun cát. Nó thay đổi âm lượng của vùng đo sáng, ảnh hưởng đến tính nhất quán của trọng lượng ảnh. Bạn không học được điều đó từ một cuốn sách nhỏ; bạn học được điều đó từ việc ghi lại trọng lượng cú đánh mỗi ca và quan sát sự trôi dạt.
Việc tạo nên hoặc phá vỡ: Gỡ rối và thiêu kết
Đây là nơi thực sự có sự kỳ diệu và những cơn đau đầu. Bạn có thể có một phần xanh hoàn hảo từ những thứ tốt nhất máy ép phun kim loại, và làm hỏng nó hoàn toàn trong các bước tiếp theo. Liên kết xúc tác, liên kết dung môi, liên kết nhiệt—mỗi loại đều có yêu cầu riêng về lò và quy định hệ thống liên kết mà bạn đang khóa. Chúng tôi đã từng cố gắng chuyển từ một nguyên liệu thô nổi tiếng sang một nguyên liệu thay thế rẻ hơn để cắt giảm chi phí cho một khách hàng chế tạo các bộ phận súng. Nguyên liệu mới sử dụng chất kết dính khác. Chu trình gỡ lỗi của chúng tôi, mà chúng tôi đã hoàn thiện trong nhiều năm, giờ đã sai. Các bộ phận bị phồng rộp, nứt nẻ do tốc độ loại bỏ chất kết dính quá nhanh. Cả một lô, vài nghìn bộ phận, bị loại bỏ. Chiếc máy đã thực hiện công việc của mình một cách hoàn hảo; quá trình kiến thức thất bại.
Thiêu kết là sự biến đổi cuối cùng. Môi trường lò (hydro, hỗn hợp nitơ-argon, chân không) rất quan trọng. Đối với một công ty như Công ty TNHH Công nghệ Qingdao Qiangsenyuan (QSY), với lịch sử lâu đời trong lĩnh vực đúc và gia công các hợp kim đặc biệt, đây là điểm giao thoa quan trọng. Họ hiểu luyện kim nhiệt độ cao. Chạy các siêu hợp kim gốc niken hoặc coban thông qua MIM là một điều khó khăn hơn so với thép không gỉ tiêu chuẩn. Thông số nhiệt độ thiêu kết, thời gian giữ và tốc độ làm nguội trực tiếp xác định các tính chất cơ học cuối cùng và dung sai kích thước. Độ co ngót có thể dự đoán được, khoảng 15-20%, nhưng nó không đẳng hướng hoàn toàn. Một chi tiết dài và mỏng sẽ co lại khác với một chi tiết dày. Bạn bù đắp cho điều đó trong thiết kế công cụ, nhưng bạn cần quá trình thiêu kết phải ổn định chắc chắn để tin tưởng vào những khoản bù đắp đó.
Đây là nơi hoạt động tích hợp theo chiều dọc có ý nghĩa. Nền tảng của QSY về đúc mẫu chảy và gia công CNC mang lại cho họ một lợi thế khác biệt. Họ hiểu được việc tạo hình gần như hình lưới và hoàn thiện chính xác. Một bộ phận MIM thường xuất hiện trong quá trình thiêu kết cần một cú chạm CNC nhẹ—khoan một lỗ thật, phay mặt chuẩn. Có chuyên môn gia công nội bộ có nghĩa là họ có thể thiết kế quy trình MIM để tối ưu hóa trạng thái thiêu kết, biết chính xác nó sẽ được hoàn thiện như thế nào. Đó là một cái nhìn toàn diện mà nhiều cửa hàng MIM thuần túy thiếu.
Dụng cụ: Đối tác thầm lặng
Không có cuộc thảo luận nào về máy mà không nói về khuôn mẫu. Công cụ MIM có độ chính xác cao, thường có bố cục nhiều khoang cho các bộ phận nhỏ này. Thông gió là rất quan trọng. Vì nguyên liệu không thực sự ở dạng lỏng nên việc thoát khí khó hơn. Chúng tôi đã sử dụng các khuôn có hệ thống thông hơi được hỗ trợ bằng chân không được kết nối trực tiếp với trục lăn. Thép khuôn cần phải được làm cứng, giống như H13, nhưng được đánh bóng để có độ bóng như gương. Bất kỳ vết xước nhỏ nào cũng sẽ gây ra vết xước và tăng lực đẩy, có khả năng làm biến dạng phần màu xanh lá cây mỏng manh.
Các kênh làm mát là một nghệ thuật tinh tế khác. Bạn muốn đặt chất kết dính nhanh chóng để giảm thiểu thời gian chu kỳ, nhưng việc làm lạnh quá nhanh có thể gây ra căng thẳng. Tôi đã thấy các công cụ mà chúng tôi phải chạy các nhiệt độ nước làm mát khác nhau ở các vùng khác nhau để cân bằng việc lấp đầy và làm mát một bộ phận phức tạp. Nó lặp đi lặp lại. Bạn chạy một thiết kế thử nghiệm (DOE) trên máy ép phun kim loại: điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy, tốc độ phun, áp suất giữ và thời gian làm mát, sau đó đo mật độ và kích thước phần xanh. Sau đó, bạn điều chỉnh công cụ, có thể thêm giếng tràn để thu thập vật liệu ở giai đoạn cuối và chạy lại DOE. Đó là cuộc trò chuyện giữa các tham số máy và hình dạng dao.
Các sắc thái vật chất và ứng dụng trong thế giới thực
Hãy nhìn vào các ngành công nghiệp: y tế, nha khoa, vũ khí, cảm biến ô tô, điện tử tiêu dùng. Khối lượng linh kiện phù hợp với chi phí ban đầu cao của việc phát triển công cụ và quy trình. Một ứng dụng điển hình có thể là vít xương bằng thép không gỉ hoặc lưỡi tuabin hợp kim niken phức tạp cho máy bay không người lái siêu nhỏ. Sự lựa chọn vật liệu, như được gợi ý bởi chuyên môn của QSY về các hợp kim đặc biệt, là rất lớn. Nhưng mỗi vật liệu thiêu kết khác nhau. Titanium MIM yêu cầu lò chân không cực cao. Hợp kim nặng vonfram có giao thức riêng.
Cái hay của MIM là hợp nhất nhiều phần thành một. Chúng tôi làm việc trong một dự án về kim phun nhiên liệu ô tô—một bộ phận theo truyền thống được làm từ ba mảnh riêng biệt được hàn lại với nhau. Chúng tôi đã thiết kế nó như một bộ phận MIM duy nhất bằng thép không gỉ 316L. Thách thức là đạt được bề mặt hoàn thiện cần thiết trong các đường dẫn nhiên liệu bên trong trực tiếp từ quá trình thiêu kết, để tránh gia công sau. Phải mất nhiều tháng điều chỉnh sự phân bố kích thước bột trong nguyên liệu và môi trường thiêu kết để giảm độ xốp bề mặt xuống mức chấp nhận được. Vai trò của máy là tạo ra một phần màu xanh lá cây hoàn hảo, hoàn toàn không có khoảng trống bên trong có thể trở thành hố sau này.
Thất bại là một người thầy vĩ đại. Ngay từ đầu, chúng tôi đã có một dự án về MIM gốm (sử dụng nguyên lý máy tương tự). Chúng tôi coi nó như kim loại. Sai. Chu trình đốt cháy của chất kết dính gốm hoàn toàn khác và độ co ngót trong quá trình thiêu kết là trên 25%. Các bộ phận bị cong vênh khủng khiếp. Nó dạy chúng tôi rằng máy là một nền tảng linh hoạt, nhưng kiến thức về quy trình—các công thức tách và thiêu kết—là vật liệu cụ thể và không thể chuyển nhượng. Bạn không thể cho rằng chuyên môn về thép sẽ chuyển thành alumina hoặc cacbua silic.
Hội nhập và viễn cảnh tương lai
Vậy thì ở đâu máy ép phun kim loại hôm nay ngồi à? Nó đang trở nên kết nối hơn. Các máy hiện đại có chức năng giám sát quy trình tích hợp, theo dõi hồ sơ áp suất phun trong thời gian thực và so sánh chúng với đường cong vàng. Nếu phát hiện ra sự trôi dạt, nó có thể cảnh báo cho người vận hành trước khi thực hiện một bộ phận xấu. Điều này đang hướng tới Công nghiệp 4.0, nơi dữ liệu từ máy ép phun, lò gỡ ràng buộc và lò thiêu kết đều có mối tương quan với chất lượng bộ phận cuối cùng.
Đối với một nhà sản xuất như QSY, việc tích hợp MIM cùng với việc đúc khuôn vỏ, đúc mẫu chảy và gia công CNC của họ sẽ tạo ra một danh mục đầu tư mạnh mẽ. Khách hàng có thể có một bộ phận quá phức tạp để gia công truyền thống, có khối lượng vừa phải (10 nghìn-100 nghìn chiếc mỗi năm) và yêu cầu vật liệu hiệu suất cao. MIM trở thành giải pháp lý tưởng. Họ có thể xử lý toàn bộ hành trình: thiết kế bộ phận cho MIM, lựa chọn nguyên liệu, chế tạo công cụ, đúc khuôn, gỡ rối, thiêu kết và gia công chính xác cuối cùng—tất cả đều dưới một mái nhà. Điều đó kiểm soát chất lượng và giảm ma sát hậu cần.
Cuối cùng, cỗ máy là một công cụ hỗ trợ quan trọng, nhưng nó sẽ trở nên ngớ ngẩn nếu không có hệ sinh thái xung quanh gồm khoa học vật liệu, kỹ thuật xử lý nhiệt và dụng cụ chính xác. Kỹ năng thực sự không nằm ở việc vận hành máy in; đó là biết cách sắp xếp toàn bộ dây chuyền từ phần bột đến phần biểu diễn. Đó là điểm khác biệt giữa một cửa hàng việc làm với một nhà cung cấp giải pháp thực sự. Bạn học cách tôn trọng toàn bộ hệ thống chứ không chỉ riêng phần thiết bị ồn ào nhất trên sàn.
