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钛合金难切削,MIM&3D打印成为产业发展新趋势

   2023-11-17 IP属地 陕西12040

  摘要

  热传导率低是导致钛合金难切削的首要因素

  在合金众多特性中,我们认为热传导率低是导致其难切削的首要因素。大部分钛合金热传导率都较低,仅为钢的16%左右,加工中的热量集聚在切削区域,所产生的温度可高达1000℃以上,使刀具刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤,缩短刀具使用寿命。同时,切削过程中产生的高温破坏了钛合金零件的表面完整性,导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象。我们认为,由于钛合金的材料特性,手机端钛合金零部件的导入对传统CNC技术带来挑战。

  3D打印与钛合金高适配,有望成为消费电子产品制造工艺新选项

  与CNC相比,我们认为3D打印与钛合金材料具有更高的适配性。从技术端来看,钛合金3D打印依据零件三维模型快速制造,不需要专用型模具,应用粉状钛合金材料,用逐层打印的方法来建构零件,从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。从产品端来看,3D打印钛合金零件力学性能优于传统锻造工艺,我们认为主要系3D打印零件拥有更好的一致性。从设计自由度来看,3D打印可自由设计三维模型,有效加工出结构复杂的零件,更好解决钛合金材料成型问题。从环保节能角度来看,3D打印钛合金能够节省材料、降低能耗、减轻污染,符合可持续发展要求。

  MIM脱颖而出,成为较为理想的钛合金零件制备工艺

  MIM结合粉末冶金与塑料注塑成形两大技术的优势,突破传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制,同时利用了塑料注塑成形技术大批量、高效率成形具有复杂形状的零件的特点,成为现代制造高质量精密零件的一项近净成形技术,具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。同时,适用于MIM的金属材料范围广泛,包括钛合金材料,同样从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。目前MIM钛合金材料研究取得一定进展,但大规模产业化应用仍存在钛合金粉末性能要求、粘结剂选择等瓶颈。我们认为随着相关技术的不断发展与突破,伴随生产效率的提升,有望逐步打破MIM钛合金材料产业化瓶颈。

  3D打印与CNC互补替代,MIM或成为3D打印有效补充

  目前钛合金加工工艺主要包括CNC切削磨削、3D金属打印两种,手机端,前者主要用于手机边框加工,后者主要用于手机结构件加工。我们认为短期看CNC加工和3D打印互补为主,替代关系现阶段演绎并不明显,有望充分发挥各自优势,共同推动钛合金在3C领域的应用,长期看3D打印有望部分替代CNC。而MIM钛合金和3D打印钛合金适配不同应用场景,3D打印钛合金在大尺寸、高复杂程度的加工中更具优势,MIM适用于大批量生产的小型、精密、具备复杂三维几何形状及特殊要求的金属零件,或成为3D打印有效补充。

  钛合金材料已在高端旗舰机率先获得使用,我们认为随着材料成本下降和产品量产形成规模效应,或在中端产品中逐步渗透,成长空间有望持续打开。

  我们认为钛合金目前成为3D打印导入消费电子的切入点,同时在大厂引领下,3C领域有望持续提振钛合金需求。而在本次周思考中,我们将聚焦钛合金工艺端,论述钛合金难切削的具体原因、3D打印与MIM相较于传统CNC的工艺优势,并讨论3D打印与CNC/MIM之间的关系。

  1.特性决定工艺:钛合金难切削,3D打印&MIM成为产业发展新趋势

  热传导率低是导致钛合金难切削的首要因素。钛合金加工的切削力略高于同等硬度的钢,但钛合金的特殊理化性质造成切削难度陡增。由于钛合金具有热导率低、弹性模量小和高温化学活性高等特点,在切削加工过程中存在切削温度高、切削变形和冷硬现象严重及易粘刀等现象,导致刀具易磨损、寿命减短,并直接影响零件尺寸精度及表面粗糙度,使钛合金成为典型的难加工材料。在钛合金众多特性中,我们认为热传导率低是导致其难切削的首要因素。大部分钛合金热传导率都较低,仅为钢的16%左右,加工中的热量集聚在切削区域,所产生的温度可高达1000℃以上,使刀具刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤,缩短刀具使用寿命。同时,切削过程中产生的高温破坏了钛合金零件的表面完整性,导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象。

  手机端钛合金零部件的导入对传统CNC技术带来挑战。由于钛合金的材料特性,采用切削磨削加工钛合金制品存在良率低、耗时长,设备需求量大等难点,以手机中框为例,据艾邦高分子数据,钛合金手机中框整体良率约为30%-40%,远低于铝合金中框的80%;且加工时间长,约为铝合金的3-4倍。

  与CNC相比,我们认为3D打印与钛合金材料具有更高的适配性,有望成为消费电子产品制造工艺新选项。从技术端来看,钛合金3D打印依据零件三维模型快速制造,不需要专用型模具,应用粉状钛合金材料,用逐层打印的方法来建构零件,从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。从产品端来看,3D打印钛合金零件力学性能优于传统锻造工艺,我们认为主要系3D打印零件拥有更好的一致性。从设计自由度来看,3D打印可自由设计三维模型,有效加工出结构复杂的零件,更好解决钛合金材料成型问题。从环保节能角度来看,3D打印钛合金能够节省材料、降低能耗、减轻污染,符合可持续发展要求。

  金属注射成型(metal Injection Molding,简称MIM),是一种将金属粉末与粘结剂混合进行注射成型的方法,将粉末冶金和塑料注塑成型融为一体,主要的工艺流程分为四个阶段,包括造粒、注射、脱脂和烧结。

  MIM能够以较低成本大批量生产复杂结构、高维度、高精度零部件,我们认为MIM是一种较为理想的制备钛合金零件的工艺,符合中长期技术发展趋势。MIM结合粉末冶金与塑料注塑成形两大技术的优势,突破传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制,同时利用了塑料注塑成形技术大批量、高效率成形具有复杂形状的零件的特点,成为现代制造高质量精密零件的一项近净成形技术,具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。同时,适用于MIM的金属材料范围广泛,包括钛合金材料,同样从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。目前MIM钛合金材料研究取得一定进展,但大规模产业化应用仍存在一些瓶颈:

  1)钛合金粉末性能要求:国内球形钛及钛合金粉末生产厂家近几年虽发展迅速,但距离全球领先技术仍有一定差距,进口粉末价格昂贵;

  2)粘结剂的选择和脱脂去除工艺:粘结剂的选择决定了粉末填充量的大小,对烧结后产品致密度、收缩率、表面粗糙度有直接影响,而高效的脱脂去除工艺有助于降低杂质元素和提高产品性能;

  3)烧结工艺优化及设备要求:由于钛合金高活性的特点,烧结时对温度和氧含量的控制至关重要,对烧结炉提出更高的要求。

  我们认为随着相关技术的不断发展与突破,伴随生产效率的提升,有望逐步打破MIM钛合金材料产业化瓶颈。

  2.钛合金工艺关系讨论:3D打印与CNC互补替代,MIM或成为3D打印有效补充

  3D打印与CNC为互补替代关系,短期以互补为主。目前钛合金加工工艺主要包括CNC切削磨削、3D金属打印两种,手机端,前者主要用于手机边框加工,后者主要用于手机结构件加工。CNC加工具有表面光滑度高、生产效率高、适合批量生产等优点,但由于钛合金热传导率低等特殊理化性能,相较铝合金,采用CNC加工的钛合金制品存在良率低、耗时长、设备需求量大等难点,同时钛合金对刀具要求更高,刀具损耗大寿命短。作为钛合金加工新方向,金属3D打印依据零件三维模型快速制造,不需要专用型模具,具有便捷性高、高精度、低成本的特点。此外,金属3D打印还需要与CNC切削磨削相结合提高表面光滑度。我们认为短期看CNC加工和3D打印互补为主,替代关系现阶段演绎并不明显,有望充分发挥各自优势,共同推动钛合金在3C领域的应用,长期看3D打印有望部分替代CNC。

  MIM适用于大批量生产的小型、精密、具备复杂三维几何形状及特殊要求的金属零件,或成为3D打印有效补充。从生产角度来看,由于MIM工艺需要通过模具成型,而模具存在成本,因此MIM工艺要求金属零件在一定批量的前提下,才具有经济价值,对于原型制造和小批量生产,往往更适用3D打印。从零件尺寸来看,由于脱脂的限制,MIM不适宜做大尺寸和厚实的零件,一般MIM零件的质量在500g以下范围,对于大尺寸零件,倾向于选择3D打印工艺。我们认为MIM钛合金和3D打印钛合金适配不同应用场景,3D打印钛合金在大尺寸、高复杂程度的加工中更具优势,MIM钛合金材料产业化之后,或在大批量和小型化两个方面对3D打印形成有效补充。

  钛合金材料已在高端旗舰机率先获得使用,我们认为随着材料成本下降和产品量产形成规模效应,或在中端产品中逐步渗透,成长空间有望持续打开。


 
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